Usando alumínio e água para produzir combustível de hidrogênio limpo — quando e onde for necessário

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Enquanto o mundo trabalha para se afastar dos combustíveis fósseis, muitos pesquisadores estão investigando se o combustível de hidrogênio limpo pode desempenhar um papel ampliado em setores como transporte e indústria, edifícios e geração de energia. Ele pode ser usado em veículos com células de combustível, caldeiras de produção de calor, turbinas a gás geradoras de eletricidade, sistemas de armazenamento de energia renovável e muito mais.

Mas, embora o uso de hidrogênio não gere emissões de carbono, normalmente o faz. Hoje, quase todo o hidrogênio é produzido usando processos baseados em combustíveis fósseis que, juntos, geram mais de 2% de todas as emissões globais de gases de efeito estufa. Além disso, muitas vezes o hidrogênio é produzido em um local e consumido em outro, o que faz com que seu uso também apresente desafios logísticos.

Uma reação promissora

Outra opção para produzir hidrogênio vem de uma fonte talvez surpreendente: a reação do alumínio com a água. O alumínio metálico reagirá prontamente com a água à temperatura ambiente para formar hidróxido de alumínio e hidrogênio. Essa reação normalmente não ocorre porque uma camada de óxido de alumínio reveste naturalmente o metal bruto, impedindo-o de entrar em contato direto com a água.

Usar a reação alumínio-água para gerar hidrogênio não produz nenhuma emissão de gases de efeito estufa e promete resolver o problema de transporte para qualquer local com água disponível. Basta mover o alumínio e, em seguida, reagir com água no local. "Fundamentalmente, o alumínio se torna um mecanismo para armazenar hidrogênio - e muito eficaz", diz Douglas P. Hart, professor de engenharia mecânica no MIT. "Usando o alumínio como fonte, podemos 'armazenar' hidrogênio em uma densidade 10 vezes maior do que se apenas o armazenássemos como um gás comprimido."

Dois problemas impediram que o alumínio fosse empregado como uma fonte segura e econômica para a geração de hidrogênio. O primeiro problema é garantir que a superfície de alumínio esteja limpa e disponível para reagir com a água. Para esse fim, um sistema prático deve incluir um meio de primeiro modificar a camada de óxido e, em seguida, evitar que ela se refaça à medida que a reação prossegue.

O segundo problema é que o alumínio puro consome muita energia para minerar e produzir, portanto, qualquer abordagem prática precisa usar sucata de alumínio de várias fontes. Mas a sucata de alumínio não é um material inicial fácil. Normalmente ocorre na forma de liga, o que significa que contém outros elementos que são adicionados para alterar as propriedades ou características do alumínio para diferentes usos. Por exemplo, adicionar magnésio aumenta a força e a resistência à corrosão, adicionar silício reduz o ponto de fusão e adicionar um pouco de ambos cria uma liga moderadamente forte e resistente à corrosão.

Apesar da pesquisa considerável sobre o alumínio como fonte de hidrogênio, duas questões-chave permanecem: Qual é a melhor maneira de evitar a aderência de uma camada de óxido na superfície do alumínio e como os elementos de liga em um pedaço de sucata de alumínio afetam a quantidade total de hidrogênio gerado e a taxa na qual ele é gerado?

"Se vamos usar sucata de alumínio para geração de hidrogênio em uma aplicação prática, precisamos ser capazes de prever melhor quais características de geração de hidrogênio vamos observar na reação alumínio-água", diz Laureen Meroueh PhD '20 , que obteve seu doutorado em engenharia mecânica.

Como as etapas fundamentais da reação não são bem compreendidas, tem sido difícil prever a taxa e o volume em que o hidrogênio se forma a partir da sucata de alumínio, que pode conter vários tipos e concentrações de elementos de liga. Assim, Hart, Meroueh e Thomas W. Eagar, professor de engenharia de materiais e gerenciamento de engenharia no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, decidiram examinar - de maneira sistemática - os impactos desses elementos de liga na reação água-alumínio. e em uma técnica promissora para prevenir a formação da camada de óxido interferente.