"Acredito que um dia a água será usada como combustível, que o hidrogénio e o oxigénio que a constituem, usados de forma isolada ou simultânea, oferecerão uma fonte inesgotável de calor e luz a uma intensidade superior à do carvão mineral"Assim escreveu Jules Verne no seu romance “A Ilha Misteriosa”, de 1875. E agora, 145 anos depois, a "visão" de um dos maiores escritores de romances científicos de todos os tempos está a tornar-se realidade.
É esperado que as Energias Renováveis descarbonizem uma grande parte do consumo total de energia até 2050. Este é um dos grandes objetivos do “Green Deal” – Pacto Ecológico Europeu, divulgado no final do ano de 2019, pela Comissão Europeia.
Mas para que a dependência de combustíveis fósseis diminua e a transição energética aconteça, terá de haver mudanças substanciais no sistemas energéticos.
Por um lado, é necessário continuar a investir no desenvolvimento de tecnologias que potenciem a produção de energia verde, quer seja através da energia eólica, energia solar, energia hídrica, ou mesmo através de tecnologias que juntem várias fontes de produção de energia renovável, através dos chamados sistemas híbridos.
Por outro, é necessário apostar num combustível alternativo ao petróleo que seja renovável e não poluente.
E é neste contexto que entra o Hidrogénio!
O hidrogénio é dos elementos mais abundantes do Planeta Terra.
Mas, apesar da sua abundância, raramente se encontra no seu estado isolado.
Normalmente encontra-se combinado com outros elementos, como é o caso da molécula da água (H2O) que contém 2 átomos de hidrogénio.
Deste modo, para se produzir hidrogénio é necessário separá-lo da outra molécula.
O Hidrogénio verde é o nome que se dá ao processo de produção de hidrogénio obtido pela eletrólise da água, ou seja, por efeito da passagem de uma corrente elétrica pela água, essa energia permite separar os átomos de oxigénio e de hidrogénio. Como este processo não necessita de combustíveis fósseis para a sua produção é considerado Hidrogénio verde.
A principal vantagem deste processo, consiste no facto de as reações químicas necessárias para reconverter hidrogénio em energia produzirem apenas água como produto final, ou seja, não há emissão de gases poluentes ou gases de efeito estufa.
Este é o método “mais limpo” de obter hidrogénio e aquele que a União Europeia pretende investir a médio/longo prazo.
Hoje em dia, mais de 90% do hidrogénio produzido no mundo é refinado e resulta da reformação por vapor, o chamado hidrogénio cinzento.
Na prática, passa por colocar gás natural, diesel ou carvão a altas temperaturas, num processo em que estes combustíveis vão reagir com o vapor de água e produzir hidrogénio.
Este processo é altamente poluente.
Segundo a IEA (Agência Internacional de Energia), a sua produção é responsável por cerca de 830 milhões de toneladas de dióxido de carbono por ano,igual à soma das emissões produzidas pelo Reino Unido e pela Indonésia.
A tendência de médio/longo prazo tem como foco um aumento da percentagem do consumo total de energia por parte das renováveis e uma diminuição progressiva da percentagem atribuída a energias fósseis.
O hidrogênio verde representa a chave para um desenvolvimento verdadeiramente sustentável e se encaixa perfeitamente na visão de sustentabilidade do planeta, que se baseia num duplo objetivo:
Por um lado, a descarbonização através do crescimento das energias renováveis e o encerramento das indústrias fósseis(gás natural, carvão e petróleo) e centrais nucleares.
E, por outro, a eletrificação para consumo final.
ENERGIA FISSÃO NUCLEAR
A energia nuclear não emite CO2 para a atmosfera, não contribuindo para o aquecimento global.
De fato, as emissões de CO2 de uma central nuclear são praticamente nulas, pois o urânio é utilizado como combustível, não havendo queima de combustíveis fósseis.
Entretanto, o CO2 é emitido durante as etapas do ciclo do combustível nuclear (transformação do mineral urânio para que ele possa ser utilizado como combustível nas centrais nucleares).
A etapa de enriquecimento do urânio, por exemplo, costuma depender da eletricidade gerada por combustíveis fósseis.
Outro aspecto negativo do uso da energia nuclear é o lixo gerado pelas centrais nucleares.
Elas produzem uma elevada e variada quantidade de dejetos, que incluem o próprio urânio utilizado nos reatores e os equipamentos contaminados pelo urânio e por outros elementos resultantes das reações ocorridas. Esses resíduos são altamente tóxicos e nocivos ao meio ambiente e à saúde humana.
Um dos principais problemas é que estes resíduos permanecem contaminados por um longo período de tempo. Embora diversos métodos de destinação final tenham surgido, ainda há muitas incertezas sobre o correto tratamento e disposição final do lixo radioativo.
A possibilidade da ocorrência de acidentes nucleares também gera muitas discussões. Esses acidentes podem ocorrer por falhas humanas ou técnicas, causando danos irreversíveis ao meio ambiente e à saúde humana.
É necessário criar uma série de instalações híbridas que consistem em indústrias de energias renováveis (solar e eólica) combinadas com eletrolisadores – estruturas que, por meio da eletricidade, dividem as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio – para produzir hidrogênio verde, que será então vendido aos clientes para a descarbonização de seus processos.Esse pipeline também inclui a possibilidade de instalar os eletrolisadores nas nossas indústrias fotovoltaicas e eólicas já existentes, por exemplo, no Chile, nos Estados Unidos e na Espanha, onde existe um vasto potencial de energias renováveis e condições regulatórias favoráveis.
Embora esta não seja uma alternativa para a eletrificação, que continua sendo a maneira mais fácil e barata de descarbonizar grandes porções do consumo total final de energia, o hidrogênio verde representa um complemento desse processo, uma das soluções energéticas mais promissoras, acessíveis e sustentáveis para reduzir as emissões de CO2.
E para alcançar a neutralidade climática de 2050, a descarbonização de indústrias que dependem do uso de combustíveis fósseis realmente fará toda a diferença.
Além disso, se produzido dentro das fronteiras nacionais, o hidrogénio verde pode reduzir a dependência de um país das importações de combustíveis fósseis e, com a criação de uma nova cadeia de valor, pode ter implicações sociais positivas, com o aumento de novas oportunidades de emprego e a estabilização de preços da energia comercial.
O hidrogénio tem uma ampla gama de aplicações e pode ser usado em setores como: a indústria e o transporte, nomeadamente em comboios, aviões, automóveis, camiões e autocarros movidos a células de combustível de hidrogénio.
A sua combustão não envolve a emissão de CO2, gerando apenas vapor de água.
A visão estratégica Europeia prevê que a percentagem do consumo energético atribuída ao hidrogénio irá aumentar de 2% para 14% em 2050 (há estudos que indicam 24%).
No entanto, há muitas perguntas ainda sem resposta relacionadas à grande quantidade de energia usada na produção de hidrogénio renovável, à disponibilidade de grandes tecnologias de armazenamento ou aos altos custos de transporte. Mas a difusão das energias renováveis, o aumento da produção de eletrolisadores e a relativa economia de escala, graças à evolução tecnológica, poderia abrir o caminho.
No cenário atual, portanto, o hidrogénio nos permitiria dar mais um passo em direção à neutralidade climática, desde que seja produzido a partir de fontes de energias renováveis.
Mas, o futuro está na Fusão Nuclear!
Mas qual a diferença entre a fusão nuclear e, a energia nuclear que existe actualmente, que se chama de Fissão nuclear?
Tanto a fusão quanto a fissão nuclear são processos naturais que ocorrem no núcleo de um átomo e geram energia.
Mas qual a diferença entre fissão e fusão nuclear?
Em poucas linhas, é que na fusão temos a combinação de dois ou mais átomos leves, enquanto a fissão envolve a divisão de um único núcleo atómico, geralmente pesado e instável.
A fusão nuclear é um tipo de energia nuclear diferente do processo de fissão nuclear que é usado desde 1950 nos reatores de energia atómica.
Na fusão, a energia é gerada a partir da união de átomos, enquanto na fissão a energia é gerada pela divisão de átomos.
A fusão é o mesmo processo que acontece no Sol continuamente, responsável pelo seu calor e sua luz, e exige calor e pressão extremos, sendo muito mais difícil de controlar do que a fissão.A cada segundo, bilhões de toneladas de átomos de hidrogénio colidem uns com os outros em condições de temperatura e pressão extrema dentro do Sol. Isso os força a quebrar suas ligações químicas e se fundirem, formando um elemento mais pesado, o hélio.A fusão solar gera quantidades enormes de calor e luz.
Este fato levou muitos engenheiros e cientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão (Tokamaks) de modo a gerar eletricidade (por exemplo, a fusão de poucos cm³ de deutério, um isótopo de hidrogénio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20 toneladas de carvão).
Nas últimas décadas pesquisadores têm tentado replicar esse processo na Terra, produzir "um sol na caixa", como dizem alguns físicos. A ideia é pegar num certo tipo de gás de hidrogénio, aquecê-lo a mais de 100 milhões de graus Celsius até formar uma nuvem de plasma, e controlá-lo com um poderoso campo magnético até que os átomos se fundam e libertem energia.
Potencialmente, a energia da fusão nuclear é muito limpa: não gera CO² como subproduto, não gera lixo tóxico (já que o resultado da reação é o hélio, que não é radioativo), não gera riscos de explosão.
Fusão nuclear quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais pesados ela consome.
Até hoje, início do século XXI, ainda não foi encontrada uma forma de controlar comercialmente a fusão nuclear, como acontece com a fissão, embora existam laboratórios de pesquisa que utilizam reatores de fusão nuclear em pesquisas científicas. Um projeto que caminha para a demonstração da viabilidade comercial do uso da fusão nuclear controlada é o ITER.
Trinta e cinco países participam do projeto ITER(Reator Termonuclear Experimental Internacional) com um investimento superior a US$ 22 biliões num reator gigante, que começou a ser construído em 2007 no sul da França.
Toda a propriedade intelectual será dividida por igual pelos 35 países, o que é algo único.
O plano é ter o primeiro plasma produzido em 2025, e a fusão de deutério e trítio em 2035.
No entanto, da produção do plasma até à obtenção de energia ainda há um longo caminho.
O projeto também foi prejudicado por longos atrasos e, porque ultrapassou o orçamento inicial, mas desde 2015 que tudo voltou ao normal, mas todos esses imprevistos fazem com que seja improvável que haja uma central nuclear de fusão até 2050.
"O que estamos a fazer é desafiar as fronteiras do que é conhecido no mundo da tecnologia", diz o físico Ian Chapman, presidente da Agência Britânica de Energia Atômica.
"E é claro que encontramos obstáculos e precisamos de os superar, o que fazemos o tempo todo."
Até o ITER estar a funcionar em 2025, o chamado JET (Joint European Torus), no Reino Unido, continuará a ser a maior pesquisa com fusão nuclear existente.
O JET teve financiamento da União Europeia de 100 Milhões de 2019 a 2020, e irá continuar a funcionar até 2023, e em 2024 será desativado devido ao BREXIT.
Mas o governo do UK recentemente anunciou um investimento de 220 milhões de libras para o desenvolvimento de uma central de fusão até 2040.
Durante os próximos quatro anos, pesquisadores vão desenvolver um projeto para uma central de fusão chamada Tokamak Esférico para Produção de Energia, ou STEP, na sigla em inglês (Tokamak é um tipo de reator experimental de fusão).
A participação do Reino Unido no ITER, que tem o dobro do tamanho do JET, apesar da saída do país da União Europeia, foi mantida com a assinatura do acordo Trade and Cooperation Agreement, entre o UK e a UE.
Neste momento, existem à volta de 20 reatores de Fusão no mundo.
The Joint European Torus Tokamak generator, seen from the inside
O método mais conhecido de fusão envolve um reator Tokamak, que tem uma câmara de vácuo em formato de donut. Nela, o hidrogénio é aquecido a 100 milhões de graus Celsius, e então se torna um plasma. Um campo magnético fortíssimo é usado para confinar o plasma para que ele não derreta o reator e encaminha-o para que a fusão ocorra.
No Reino Unido, pesquisadores desenvolveram um tipo diferente de Tokamak, que parece mais uma maçã do que um donut. Chamado de Tokamak esférico, ele tem a vantagem de ser mais compacto, permitindo que centrais futuras sejam localizadas em áreas urbanizadas.
"Se olharmos para algumas unidades, com as grandes máquinas que precisamos instalar, podemos ver que a tarefa de encontrar um local para colocá-los por si só já é difícil", diz Nanna Heiberg, da Agência de Energia Atómica do Reino Unido.
"O ideal é colocá-las perto de onde a energia é usada. E se conseguirmos criar reatores em espaços menores, podemos colocá-los mais próximos aos usuários e criar mais pelo país."
REATORES PRIVADOS
Enquanto governos internacionais tentam fazer o ITER ir para a frente, alguns países também têm suas iniciativas nacionais. A China, a Índia, a Rússia e o Estados Unidos estão a trabalhar no desenvolvimento de reatores comerciais.
O Banco de Investimento da Europa também está a colocar centenas de milhões de euros num programa de produção de energia de fusão nuclear italiano que prevê operações a partir de 2050.
A marinha americana já registou a patente de um "dispositivo de fusão de plasma por compressão", que usará campos magnéticos para criar uma rotação acelerada e produzir energia para o funcionamento de navios e submarinos. A ideia é criar reatores pequenos o suficiente para que sejam portáteis. Há muitas dúvidas sobre a possibilidade de que isso seja possível na prática.
Talvez a maior expectativa venha do setor privado.
São empresas menores, mais ágeis, e se desenvolvem a cometer erros e a aprender com eles rapidamente.
Hoje, há dúzias delas no mundo todo, levantando fundos e avançando com abordagens diferentes das tradicionais.
A First Light, por exemplo, surgiu na Universidade de Oxford, no Reino Unido, e envolve lançar um projétil num alvo que contém átomos de hidrogénio. A onda de choque do impacto pressiona o combustível e produz o plasma.
A Commonwealth Fusion Systems (CFS) foi criada por ex-funcionários do MIT (Massachusetts Institute of Technology) e conseguiu levantar mais de US$ 100 milhões. Seu objetivo é desenvolver um reator Tokamak com Ímanes supercondutores que permitirão produzir um reator menor e mais barato.
A TAE Technologies, da Califórnia, conseguiu investimento de empresas como a Google e quer usar um tipo diferente de combustível: uma mistura de hidrogénio e boro, ambos elementos abundantes e não-radioativos. O protótipo deles é um reator cilíndrico que forma dois anéis de plasma que são unidos e mantidos juntos com raios de partículas não reagentes para que fiquem mais quentes e durem mais.
Uma das empresas mais competitivas é a empresa canadense General Fusion.
A sua abordagem atraiu bastante atenção ao ser apoiada por bilionários como o criador da Amazon, Jeff Bezos.
A General Fusion nomeou o seu sistema de "magnetised target fusion", algo como "fusão magnetizada direcionada", em inglês.
O método funciona inserindo plasma quente injetado numa bola de metal líquido dentro de uma esfera de aço. A mistura então é comprimida por gigantescas pistolas de pressão, mais ou menos como um motor a fissão.
"As pistolas disparam simultaneamente e colapsam a cavidade com o combustível dentro", diz Michael Delage, diretor de tecnologia da empresa.
"No pico da compressão, quando a reação acontece, ela está cercada por todos os lados por metal líquido, então a energia vai para o metal, que depois é usado para ferver água e produzir vapor, que por sua vez é usado para produzir energia elétrica."
A General Fusion diz que espera que seu protótipo esteja a funcionar em cinco anos.
"O custo de energias renováveis caiu, enquanto o custo do projeto de fusão internacional, o ITER, subiu", diz o físico britânico Chris Llewellyn Smit, que já foi presidente do conselho do ITER.
"Agora parece bem improvavel que consigam completar o projeto sem novas ideias."
A Fusão nuclear ainda é muito cara mas, precisamos de uma fonte de energia livre de carbono para complementar as renováveis no futuro.
"A fusão precisa de recursos para realmente funcionar", diz Ian Chapman, da agência britânica de energia atómica."A investigação pode ser feita por um país ou pela iniciativa privada.Mas é necessário haver uma maior escala e maiores recursos para passar a ter uma produção mais barata como as renováveis."
Faz todo sentido.
Tal fonte de energia é abundante: fundir átomos controladamente libera 4 milhões de vezes mais energia que a queima de petróleo e quatro vezes mais que a fissão nuclear. Ela também é sustentável: seus reagentes estão disponíveis no mundo todo e são praticamente inesgotáveis. Para iniciar a fusão, são necessários apenas dois isótopos do hidrogénio — deutério e trítio. O deutério é praticamente infinito, uma vez que está presente na água do mar. Já o trítio precisa ser fabricado. Mas a produção desse isótopo está atrelada ao próprio processo da fusão: é só garantir que os neutrões emitidos reajam com o lítio.
“Acho que uma bateria de lítio de um laptop e, talvez, uma garrafa de água forneceriam eletricidade para sua vida toda”, afirma Eva Belonohy, especialista de plasma na investigação de fusão JET, do Reino Unido.
Reservas de lítio também são muito abundantes, disponíveis em terra firme e nos oceanos.
A fusão nuclear não emite dióxido de carbono (CO2), apenas hélio, e o gás nobre em estado inerte não é tóxico. Ao contrário do processo de fissão, não há produção de lixo nuclear nem riscos decorrentes da fabricação de armas atómicas.
Por outras palavras, a fusão é segura: por ser um processo tão difícil de manter, caso algo dê errado, basta apertar um botão e o plasma resfria em segundos. Não existe risco de Chernobyls ou Fukushimas.
Mais de 99% do Universo, como as estrelas e a matéria interestelar, é feito de plasma.
Para contê-lo no dispositivo continuamente aquecido sem danificar as paredes de um reator, os cientistas usam grandes ímanes para criar uma “prisão” magnética.
Encontrar o material ideal para a parede do equipamento, desenvolver a tecnologia para cultivar o trítio e projetar o mecanismo que produzirá vapor para transformar a energia gerada em eletricidade e colocá-la na rede elétrica são outros desafios.
Há décadas, físicos tentam montar esse quebra-cabeça.
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