Termistores NTC
Apoiando a transição dos combustíveis fósseis com o poder dos componentes eletrônicos
Acelerando a construção de infraestrutura, como células de combustível e equipamentos de eletrólise, para apoiar a utilização de energia de hidrogênio
Paralelamente à utilização de energias renováveis, a utilização da energia do hidrogénio desempenha um papel importante (Fig. 1).
As oportunidades para os consumidores se depararem com a utilização do hidrogénio estão praticamente limitadas ao vislumbre ocasional de um veículo a célula de combustível (FCV) ou de um autocarro a célula de combustível. No entanto, o hidrogénio tornou-se uma parte indispensável dos esforços de descarbonização da indústria como fonte de energia de alto rendimento ou fonte de calor para turbinas, motores, caldeiras e afins. Na área da mobilidade, os esforços de descarbonização centraram-se em torno da adoção de veículos eléctricos (VE) como automóveis de passageiros, mas a utilização do hidrogénio assumiu um papel fundamental nos estudos sobre o futuro dos grandes veículos comerciais, como autocarros ou camiões que têm de operar em longas distâncias; máquinas agrícolas, equipamento de construção e aeronaves (incluindo drones); e navios.
Por este motivo, estão em curso em muitos países e regiões do mundo diversas políticas e projectos destinados a alargar os cenários de utilização do hidrogénio.
É fundamental atualizar a sofisticação dos sistemas eléctricos e electrónicos encarregados de expandir, gerir e controlar a utilização do hidrogénio
Em termos gerais, prevê-se que a energia do hidrogénio seja utilizada de duas formas.
A primeira é a utilização direta da energia térmica obtida pela combustão do hidrogénio. Já está em curso o desenvolvimento de tecnologia que permite a utilização do hidrogénio como combustível para alimentar turbinas, motores, caldeiras, etc., de forma segura e eficiente. Esta primeira abordagem é adequada para aplicações em que é necessário um rendimento comparativamente elevado.
A segunda é a utilização de células de combustível para converter a energia química do hidrogénio em energia eléctrica. A reação química envolvida é o oposto da reação subjacente à eletrólise da água, conhecida das demonstrações nas aulas de ciências na escola. O hidrogénio e o oxigénio da atmosfera são convertidos em água e eletricidade.
Esta abordagem tende a ser adequada para aplicações que utilizam uma potência comparativamente baixa. Os limites práticos são tais que a produção de uma única célula de combustível pode ser utilizada como fonte de energia para um veículo como um autocarro. Além disso, quando o hidrogénio é convertido em energia eléctrica para utilização, o controlo da produção é mais fácil do que quando o hidrogénio é queimado, pelo que a segunda abordagem também é utilizada para aplicações em que é necessário um controlo preciso da transmissão.
Para utilizar o hidrogénio de forma eficaz, eficiente e estável, e para permitir a sua adoção numa gama diversificada de cenários de utilização, os sistemas eléctricos e electrónicos que gerem e controlam a utilização adequada do hidrogénio têm de interoperar entre si. Por exemplo, os equipamentos envolvidos na produção, armazenamento, distribuição e utilização do hidrogénio incluem componentes como fontes de alimentação estabilizadas, conversores de energia, sensores e circuitos de supressão de ruído. Além disso, estas tecnologias têm de se tornar mais sofisticadas à medida que a utilização do hidrogénio se expande.
As energias renováveis e a energia do hidrogénio são complementares
O hidrogénio utilizado como fonte de energia divide-se em três tipos, com base na forma como é produzido (Fig. 2), embora a composição química dos diferentes tipos seja a mesma. São eles o "hidrogénio cinzento", o "hidrogénio azul" e o "hidrogénio verde". Cada um deles contribui para a descarbonização num grau diferente.
*Esta página com ligação está em japonês.
As matérias-primas para a produção de hidrogénio cinzento são os combustíveis fósseis, como o carvão e o gás natural. O hidrogénio pode também ser obtido como subproduto da refinação do petróleo ou da produção de coque numa siderurgia. Também pode ser produzido através da reforma por processamento químico ou térmico. Um exemplo conhecido são as pilhas de combustível domésticas (sistemas ENE-FARM), que utilizam hidrogénio cinzento produzido a partir do gás da cidade. No entanto, uma vez que a produção de hidrogénio cinzento gera CO2, não se pode dizer que contribua diretamente para a descarbonização. Em contrapartida, o hidrogénio azul é produzido de forma a garantir que o CO2 gerado na sua produção não é libertado para a atmosfera. Os sistemas utilizados para o produzir incluem mecanismos para recuperar, armazenar e utilizar o CO2 gerado. Isto reduz as emissões de CO2, mas a recuperação, o armazenamento e a utilização do CO2 acarretam custos correspondentes.
Por outro lado, o hidrogénio verde é produzido a partir da água por eletrólise, utilizando energias renováveis, como a luz solar ou a energia eólica, como fonte da eletricidade utilizada. Com o hidrogénio verde, as emissões de CO2 podem ser reduzidas a zero. Além disso, uma vez que os métodos de produção de energia, como a energia solar, são meios instáveis de produção de eletricidade, são adequados para aplicações que requerem o armazenamento de energia excedente para utilização posterior, quando necessário. Os sistemas de armazenamento de energia (ESS) de grande capacidade que utilizam baterias também são utilizados para essas aplicações, mas o hidrogénio verde é considerado adequado para ser utilizado como fonte de alimentação de emergência em casos que exijam uma grande capacidade de armazenamento, fábricas, centros de dados e afins.
Pode dizer-se que as energias renováveis e a energia do hidrogénio são complementares. Neste contexto, os governos de muitos países e regiões estão a avançar com políticas e projectos destinados a promover a utilização do hidrogénio verde. Por exemplo, a Comissão Europeia e a Aliança Europeia para o Hidrogénio Limpo, um grupo de empresas relacionadas com o hidrogénio na UE, anunciaram, em 5 de maio de 2022, um plano para aumentar a capacidade de produção de hidrogénio verde das empresas de eletrólise para 10 vezes o nível atual até 2025.
Como a indústria eletrónica pode contribuir para a utilização do hidrogénio
Há muitas maneiras de a tecnologia eléctrica e eletrónica ajudar a impulsionar a utilização do hidrogénio.
Em primeiro lugar, para aumentar a eficiência na produção de hidrogénio verde, são necessárias fontes de alimentação de corrente contínua devido à sua elevada eficiência energética. Apenas é necessário um baixo nível de potência, 1,23 V ou mais, para realizar a eletrólise da água. No entanto, para produzir hidrogénio verde em grandes volumes utilizando a energia de instalações de energias renováveis de elevado rendimento, como os projectos Mega Solar, são necessárias fontes de alimentação CC capazes de fornecer energia CC de alta tensão e alta amperagem de forma consistente, sem pulsações, a um grande número de eléctrodos de eletrólise ligados em série e em paralelo.
Esta tecnologia foi desenvolvida, utilizando como base a tecnologia de corrente contínua existente nos sectores da indústria transformadora e industrial, incluindo o processamento de superfícies, como a metalização, e a produção de produtos químicos, como a soda cáustica. A maior parte das instalações de produção de hidrogénio utiliza atualmente fontes de alimentação de corrente contínua com tensões de vários volts a várias centenas de volts e amperagens de 10 amperes a vários milhares de amperes.
A escala destas instalações varia, mas vai desde a baixa capacidade para estações de hidrogénio compactas no local até à grande capacidade para centrais de produção de hidrogénio de grau megawatt. A procura de fontes de alimentação de corrente contínua está a aumentar em vários níveis de capacidade. Destes, muitos dos sistemas de grande capacidade ligam-se à rede eléctrica de corrente alterna, o que exige medidas para minimizar os efeitos das harmónicas nas linhas eléctricas. Além disso, para gerar energia CC estabilizada de forma mais eficiente, estão a ser consideradas configurações de circuitos de potência que incorporam dispositivos semicondutores de potência de elevado desempenho, como IGBTs ou MOSFETs baseados em SiC.
Além disso, depois de a energia do hidrogénio ser convertida em energia eléctrica por uma pilha de combustível, a sua utilização requer um conversor de energia para a transformar em energia CC ou CA, para corresponder ao fim a que se destina a produção e para a fornecer de forma estável. Além disso, são necessários sistemas de gestão e de controlo para monitorizar a série de processos, desde a produção de energia pela pilha de combustível até ao seu consumo pelos motores, etc., e para o controlo de segurança, a fim de evitar problemas como fugas de gás hidrogénio, curtos-circuitos ou fugas térmicas. Isto requer um grande número de sensores para a deteção de gás, pressão, fluxo, etc.
Reduzir o tamanho do equipamento que utiliza hidrogénio para o tornar uma fonte de energia mais familiar
A utilização do hidrogénio teve o seu início em aplicações que requerem uma produção relativamente elevada, e a sua adoção está agora a espalhar-se. No entanto, quando a tecnologia amadurecer para a produção de hidrogénio verde, tornando as células de combustível mais eficientes e reduzindo os custos, é de esperar que se assista a uma redução do tamanho dos sistemas de utilização e que se torne possível utilizar o hidrogénio como fonte de energia para dispositivos que exijam um rendimento mais baixo.
De um modo geral, se o hidrogénio for produzido em grandes quantidades em centrais eléctricas situadas em regiões fora das grandes cidades e depois transportado para o local onde será consumido, perde-se uma grande quantidade de energia durante o processo de transporte. Isto porque é necessário comprimir o hidrogénio gasoso produzido e depois refrigerá-lo até à forma líquida. Existem outros métodos de transporte que envolvem a conversão do hidrogénio em produtos químicos mais fáceis de transportar, mas estas aplicações também consomem uma quantidade proporcional de energia. Por estas razões, permitir a produção local para consumo local de hidrogénio, sempre que possível, é a melhor forma de aumentar a eficiência da utilização.
Já foram instaladas aqui e ali estações de hidrogénio semelhantes às estações de serviço convencionais, e estão a ser desenvolvidos esforços para concretizar o conceito de produção local de hidrogénio e o seu fornecimento como combustível para vários tipos de aplicações de mobilidade. Um exemplo desta tentativa é a comercialização de uma célula de combustível portátil que pode ser utilizada como bateria móvel para carregar dispositivos como os smartphones. Está também a ser considerado o desenvolvimento e a colocação descentralizada de equipamentos compactos de produção de hidrogénio baseados na tecnologia de fotocatalisadores que utilizam a luz solar para realizar a fotólise da água.
O hidrogénio complementa as energias renováveis como uma fonte de energia indispensável para alcançar a neutralidade carbónica. No entanto, é necessário tomar medidas adequadas para que os consumidores possam utilizar o hidrogénio gasoso de forma segura em ambientes familiares. Para que seja possível uma utilização segura e altamente eficiente, é necessário criar normas de segurança e legislação, ao mesmo tempo que a utilização de tecnologia eléctrica e eletrónica, incluindo sistemas de gestão e controlo que utilizem sensores de vários tipos, fontes de alimentação CC de alta eficiência e circuitos de conversão de energia, deve tornar-se mais sofisticada. Por conseguinte, há grandes expectativas quanto ao desenvolvimento e à proposta de novas tecnologias por parte das empresas ligadas à eletrónica.
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