Já vivemos em uma economia de hidrogênio: produção de aço, resfriamento de gerador e gás de solda

Embora geralmente o hidrogênio seja mencionado apenas no contexto de transporte e armazenamento de energia, de longe as aplicações mais úteis são encontradas em aplicações industriais, inclusive na indústria química, na fabricação de aço, bem como na de metanol e fertilizantes. Isso é ilustrado por como hoje a maior parte de todo o hidrogênio produzido hoje é usado para essas aplicações industriais, bem como para aplicações como resfriamento de turbogeradores, com a demanda por hidrogênio nessas aplicações aumentando rapidamente.

Atualmente, praticamente todo o hidrogênio produzido hoje vem do gás natural, via reforma de metano a vapor (SMR), com potencialmente a pirólise do metano tornando o hidrogênio derivado do gás natural uma fonte de baixo carbono. O restante do hidrogênio vem da gaseificação do carvão e uma pequena fração da eletrólise da água. O hidrogênio é frequentemente produzido no local, especialmente em plantas industriais e usinas termelétricas. Portanto, além de quaisquer esforços de descarbonização, há muitos usos para o hidrogênio que o público geralmente desconhece.

Isso nos leva à um tanto controversa escada do hidrogênio.

Alguns de nós já devem ter se deparado com a escada do hidrogênio limpo, popularizada por Michael Liebreich. Isso é semelhante à pirâmide de hidrogênio limpo, pois tenta capturar as aplicações de hidrogênio mais essenciais e econômicas. Por exemplo, com os principais usos industriais destacados, obtemos o seguinte:

A parte controversa desta escada de hidrogênio vem principalmente da colocação de categorias como 'armazenamento de longo prazo' e 'veículos off-road', com uma série de artigos CleanTechnica (parte 1, parte 2) por Michael Barnard e o engenheiro de processos químicos Paul Martin entrando em algum nível de detalhe aqui. No que diz respeito ao armazenamento de energia de longo prazo usando hidrogênio, esse é um tópico que abordamos em um artigo anterior sobre sistemas de armazenamento de energia, juntamente com um artigo sobre tecnologias de armazenamento em nível de rede mais práticas.

Quando nos concentramos apenas nas categorias de linha 'A' e 'B' que são destacadas nesta imagem, é importante lembrar que essas categorias contêm essencialmente todas as principais formas de uso atual de hidrogênio, juntamente com um número que foi mencionado anteriormente, como como o uso como refrigerante, mas que não são abordados nesta imagem. O maior uso de hidrogênio, de longe, no entanto, é para a produção de amônia (NH3). A amônia é usada em solventes, agentes de limpeza doméstica, como antisséptico, como refrigerante (R717), em depuradores de óxido sulfuroso (SO2) e óxido nitroso (NOx), mas talvez mais essencialmente na produção de fertilizantes.

Uma aplicação mais controversa da amônia é como combustível, já que a combustão de NH3 em uma atmosfera contendo oxigênio produz vários poluentes, incluindo N2O (óxido nitroso), conforme observado em estudos recentes de Juan D. Gonzalez et al. (2017) e S. Mashruk et al. (2021). O óxido nitroso, também conhecido como gás hilariante, é um potente gás de efeito estufa e neurotóxico, sendo um antagonista do receptor NMDA. Devido a esses problemas, é improvável que a amônia como combustível tenha uso significativo onde existem alternativas.

Entre os refrigerantes gasosos, o hidrogênio é uma escolha popular, pois possui condutividade térmica significativamente maior em relação a outros gases, possui alta capacidade de calor específico, baixa densidade e, portanto, fricção muito baixa em aplicações onde isso realmente importa, como em geradores. É por isso que os turbogeradores geralmente são resfriados com gás hidrogênio, com o gás aquecido passando por um trocador de calor gás-água antes de ser recirculado. A manutenção desses turbogeradores refrigerados a hidrogênio também leva a uma das características mais empolgantes do hidrogênio: sua capacidade de entrar em combustão no ar em concentrações de hidrogênio entre 4% e 74%.

Combinado com o ponto de auto-ignição do hidrogênio a 571 °C, torna-se essencial evitar o vazamento de ar no gerador e vice-versa. Antes que qualquer manutenção possa ser realizada no turbogerador, o hidrogênio deve ser purgado, o que o torna um compromisso entre maior eficiência e facilidade de manutenção. E, como observado anteriormente, a maioria das usinas de energia possui um eletrolisador no local para gerar hidrogênio de reposição quando necessário.