O hidrogênio tem potencial para ser um combustível ecologicamente correto, pois não libera dióxido de carbono quando usado como fonte de energia. Atualmente, porém, a maioria dos métodos de produção de hidrogênio utiliza combustíveis fósseis, o que o torna um combustível menos “verde” ao longo de todo o seu ciclo de vida. Um novo processo desenvolvido por engenheiros do MIT pode reduzir significativamente a pegada de carbono associada à produção de hidrogênio.
No ano passado, a equipe relatou que poderia produzir gás hidrogênio combinando água do mar, latas de refrigerante recicladas e cafeína . A questão então era se o processo de bancada poderia ser aplicado em escala industrial e qual seria o custo ambiental. Agora, os pesquisadores realizaram uma avaliação do ciclo de vida “do berço ao túmulo”, considerando todas as etapas do processo em escala industrial. Por exemplo, a equipe calculou as emissões de carbono associadas à aquisição e processamento do alumínio, à sua reação com água do mar para produzir hidrogênio e ao transporte do combustível para postos de gasolina, onde os motoristas poderiam usar tanques de hidrogênio para alimentar motores ou carros movidos a células de combustível. Eles descobriram que, de ponta a ponta, o novo processo poderia gerar uma fração das emissões de carbono associadas à produção convencional de hidrogênio.
Em um estudo publicado na Cell Reports Sustainability, a equipe relata que, para cada quilo de hidrogênio produzido, o processo geraria 1,45 quilo de dióxido de carbono ao longo de todo o seu ciclo de vida. Em comparação, processos baseados em combustíveis fósseis emitem 11 quilos de dióxido de carbono por quilo de hidrogênio gerado. A baixa pegada de carbono está no mesmo nível de outras tecnologias de “hidrogênio verde” propostas, como aquelas alimentadas por energia solar e eólica. “Estamos próximos do hidrogênio verde”, afirma o autor principal, Aly Kombargi, que se formou no MIT com um doutorado em engenharia mecânica. “Este trabalho destaca o potencial do alumínio como fonte de energia limpa e oferece um caminho escalável para a implantação de hidrogênio de baixa emissão em sistemas de transporte e energia remota.”
Bolha de gás
Deixar cair uma lata de alumínio na água normalmente não causa uma reação química significativa. Isso ocorre porque, quando o alumínio é exposto ao oxigênio, forma instantaneamente uma camada protetora. Sem essa camada, o alumínio existe em sua forma pura e pode reagir prontamente quando misturado à água. A reação que ocorre envolve átomos de alumínio que quebram eficientemente as moléculas de água, produzindo óxido de alumínio e hidrogênio puro. E não é preciso muito metal para borbulhar uma quantidade significativa do gás.
“Um dos principais benefícios do uso de alumínio é a densidade energética por unidade de volume”, diz Kombargi. “Com uma quantidade muito pequena de combustível de alumínio, é possível fornecer grande parte da energia de um veículo movido a hidrogênio.” No ano passado, ele e Hart desenvolveram uma receita para a produção de hidrogênio a partir do alumínio. Descobriram que podiam perfurar a blindagem natural do alumínio tratando-o com uma pequena quantidade de gálio-índio, uma liga de metal raro que efetivamente desintegra o alumínio em sua forma pura. Os pesquisadores então misturaram pellets de alumínio puro com água do mar e observaram que a reação produzia hidrogênio puro. Além disso, o sal na água ajudou a precipitar o gálio-índio, que a equipe pôde posteriormente recuperar e reutilizar para gerar mais hidrogênio, em um ciclo sustentável e econômico. “Estávamos explicando a ciência desse processo em conferências, e as perguntas que ouvíamos eram: ‘Quanto isso custa?’ e ‘Qual é a pegada de carbono?’”, diz Kombargi. “Então, queríamos analisar o processo de forma abrangente.”
Um ciclo sustentável
Para seu novo estudo, Kombargi e seus colegas realizaram uma avaliação do ciclo de vida para estimar o impacto ambiental da produção de hidrogênio à base de alumínio, em todas as etapas do processo, desde a obtenção do alumínio até o transporte do hidrogênio após a produção. Eles se propuseram a calcular a quantidade de carbono associada à geração de 1 quilo de hidrogênio — uma quantidade que escolheram como uma ilustração prática para o consumidor. “Com um carro movido a célula de combustível de hidrogênio usando 1 quilo de hidrogênio, você pode percorrer entre 60 e 100 quilômetros, dependendo da eficiência da célula de combustível”, observa Kombargi.
Os coautores do estudo no MIT são Brooke Bao, Enoch Ellis e o professor de engenharia mecânica Douglas Hart. Eles realizaram a análise usando o Earthster – uma ferramenta online de avaliação do ciclo de vida que extrai dados de um grande repositório de produtos e processos e suas emissões de carbono associadas. A equipe considerou uma série de cenários para produzir hidrogênio usando alumínio, desde o alumínio “primário” extraído da Terra, passando pelo alumínio “secundário” reciclado de latas de refrigerante e outros produtos, até o uso de vários métodos para transportar o alumínio e o hidrogênio.
Após realizar avaliações do ciclo de vida para cerca de uma dúzia de cenários, a equipe identificou um cenário com a menor pegada de carbono. Esse cenário se concentra no alumínio reciclado – uma fonte que economiza uma quantidade significativa de emissões em comparação com a mineração de alumínio – e na água do mar – um recurso natural que também economiza dinheiro ao recuperar gálio-índio. Eles descobriram que esse cenário, do início ao fim, geraria cerca de 1,45 kg de dióxido de carbono para cada quilo de hidrogênio produzido. O custo do combustível produzido, calcularam, seria de cerca de US$ 9 por quilo, o que é comparável ao preço do hidrogênio que seria gerado com outras tecnologias verdes, como energia eólica e solar.
Os pesquisadores preveem que, se o processo de baixo carbono fosse ampliado para escala comercial, seria algo assim: a cadeia de produção começaria com sucata de alumínio proveniente de um centro de reciclagem. O alumínio seria triturado em pellets e tratado com gálio-índio. Em seguida, os motoristas poderiam transportar os pellets pré-tratados como “combustível” de alumínio, em vez de transportar diretamente hidrogênio, que é potencialmente volátil. Os pellets seriam transportados para um posto de combustível que, idealmente, estaria situado perto de uma fonte de água do mar, que poderia então ser misturada ao alumínio, sob demanda, para produzir hidrogênio. Um consumidor poderia então bombear a gasolina diretamente para um carro com motor de combustão interna ou célula de combustível.
Todo o processo produz um subproduto à base de alumínio, a boemita, um mineral comumente usado na fabricação de semicondutores, elementos eletrônicos e diversos produtos industriais. Kombargi afirma que, se esse subproduto fosse recuperado após a produção de hidrogênio, poderia ser vendido aos fabricantes, reduzindo ainda mais o custo do processo como um todo. “Há muitas coisas a considerar”, diz Kombargi. “Mas o processo funciona, o que é a parte mais empolgante. E mostramos que ele pode ser ambientalmente sustentável.”
O grupo continua a desenvolver o processo. Recentemente, eles projetaram um pequeno reator, do tamanho de uma garrafa d’água, que utiliza pellets de alumínio e água do mar para gerar hidrogênio, o suficiente para abastecer uma bicicleta elétrica por várias horas. Anteriormente, eles demonstraram que o processo pode produzir hidrogênio suficiente para abastecer um carro pequeno. A equipe também está explorando aplicações subaquáticas e projetando um reator de hidrogênio que absorveria a água do mar circundante para abastecer um pequeno barco ou veículo subaquático.
