Notícia

Nova tecnologia de produção de hidrogênio pode trazer muitos benefícios ambientais

Fonte

Technion | Instituto de Tecnologia de Israel

Data

terça-feira, 17 setembro 2019 13:15

Áreas

Energia. Inovação. Sustentabilidade.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion) desenvolveram uma tecnologia inovadora, limpa, barata e segura para a produção de hidrogênio. A tecnologia melhora significativamente a eficiência da produção de hidrogênio, de ~ 75% usando os métodos atuais para uma eficiência energética sem precedentes de 98,7%. A descoberta dos pesquisadores foi publicada recentemente na revista científica Nature Energy.

Os pesquisadores do Technion desenvolveram um processo único e cíclico, no qual a composição química do ânodo (o eletrodo onde ocorre o processo de oxidação) muda intermitentemente. No primeiro estágio, o cátodo (o eletrodo onde ocorre a redução) produz hidrogênio reduzindo as moléculas de água enquanto o ânodo altera sua composição química sem produzir oxigênio. No segundo estágio, o cátodo é passivo enquanto o ânodo produz oxigênio oxidando as moléculas de água. No final do segundo estágio, o ânodo retorna ao seu estado original e o ciclo recomeça. Esse processo inovador, chamado separação de água E-TAC (separação eletroquímica ativada termicamente), dissocia as reações de evolução do hidrogênio e oxigênio. Com base nessa tecnologia, os pesquisadores fundaram a H2Pro, uma startup que trabalha na aplicação comercial da tecnologia.

A pesquisa foi conduzida pelo professor Dr. Avner Rothschild, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e pelo professor Dr. Gideon Grader, da Faculdade de Engenharia Química, juntamente com o Dr. Hen Dotan e Avigail Landman, estudante de doutorado sob orientação do professor Grader e do professor Rothschild.

Quantidades enormes de hidrogênio são produzidas anualmente em todo o mundo: ~ 65 milhões de toneladas no valor de ~ 130 bilhões de dólares, com uma energia total de ~ 9 exajoules (EJ), o equivalente a ~ 2.600 teraWatts por hora (TWh). Esses valores aumentam constantemente e devem triplicar nos próximos 20 anos. O consumo de hidrogênio deverá atingir 14 exajoules até 2030 e 28 exajoules até 2040.

Cerca de 53% do hidrogênio produzido hoje é usado para produzir amônia para fertilizantes e outras substâncias, 20% para refinarias, 7% para a produção de metanol e 20% para outros usos. No futuro, espera-se que o hidrogênio atenda a aplicações adicionais, algumas das quais estão em estágios acelerados de desenvolvimento: hidrogênio como combustível para veículos elétricos com células de combustível (FCEV), combustível para armazenar energia de fontes renováveis ​​de energia para balanceamento da rede e energia para aplicações de gás (P2G), aquecimento industrial e doméstico e outras aplicações.

Cerca de 99% do hidrogênio produzido hoje é originário de combustíveis fósseis, principalmente por extração de gás natural. Esse processo libera ~ 10 toneladas de CO2 para cada tonelada de hidrogênio e é responsável por ~ 2% de todas as emissões antropogênicas de CO2 na atmosfera. A presença de quantidades consideráveis ​​de CO2 na atmosfera acelera o aquecimento global. Isso explica a necessidade urgente de alternativas mais limpas e mais ecológicas para a produção de hidrogênio.

Atualmente, a principal alternativa para a produção limpa de hidrogênio sem emissões de CO2 é a eletrólise da água. Esse processo envolve a colocação de dois eletrodos, um ânodo e um cátodo, em água alcalina ou enriquecida com ácido para aumentar a condutividade elétrica. Em resposta à passagem de uma corrente elétrica entre os eletrodos, as moléculas de água (H2O) são decompostas em seus elementos químicos, de modo que o gás hidrogênio (H2) é produzido próximo ao cátodo e o oxigênio (O2) é produzido próximo ao ânodo. Todo o processo ocorre em uma célula selada dividida em dois compartimentos. O hidrogênio é coletado em uma parte e o oxigênio na outra.

A produção limpa de hidrogênio envolve uma série de desafios tecnológicos. Uma delas é a perda significativa de energia. Hoje, a eficiência energética dos processos de eletrólise é de apenas 75%, o que significa alto consumo de eletricidade. Outra dificuldade está relacionada à membrana que divide a célula eletrolítica em duas. Essa membrana é essencial para coletar o hidrogênio de um lado e o oxigênio do outro, mas limita a pressão na célula eletrolítica a 10 a 30 atmosferas, enquanto a maioria das aplicações requer centenas de atmosferas de pressão. Por exemplo, os veículos elétricos de células de combustível usam hidrogênio comprimido em 700 atmosferas. Hoje, essa pressão é aumentada por meio de compressores grandes e caros que complicam a operação e aumentam os custos de instalação e manutenção do sistema. Além disso, a presença da membrana complica a montagem do aparelho de produção, aumentando significativamente o seu preço e requer manutenção e substituição periódicas.

A tecnologia proposta (E-TAC) tem várias vantagens significativas sobre a eletrólise:

1. Separação cronológica absoluta entre produção de hidrogênio e produção de oxigênio, com os dois processos ocorrendo em momentos diferentes. Consequentemente: a) A membrana que separa o ânodo do cátodo na célula eletrolítica não é mais necessária. Isso representa uma economia substancial em relação à eletrólise: a membrana é cara, complica o processo de produção e requer água de alta pureza e manutenção contínua para evitar que ela se acumule; b) Elimina o risco de um encontro volátil entre oxigênio e hidrogênio. É provável que esse encontro ocorra em eletrólise comum se a membrana romper ou seu selo for rompido; c) Atualmente, o uso de membranas limita a pressão na produção de hidrogênio. A tecnologia desenvolvida no Technion torna a membrana desnecessária, facilitando a produção de hidrogênio sob pressão muito maior, eliminando alguns dos altos custos de compressão do hidrogênio posteriormente.
2. No novo processo, o oxigênio é produzido através de uma reação química espontânea entre o ânodo carregado e a água, sem o uso de uma corrente elétrica nesse ponto. Essa reação elimina a necessidade de eletricidade durante a produção de oxigênio e aumenta a eficiência energética de 75%, usando métodos habituais, para uma eficiência sem precedentes de 98,7%.
3. A tecnologia E-TAC deverá não apenas reduzir os custos operacionais, mas também os custos com equipamentos. A H2Pro estima que o custo do equipamento para produzir hidrogênio usando o E-TAC será cerca de metade do custo do equipamento usado nas tecnologias existentes.

A eletrólise foi descoberta há mais de 200 anos e, desde então, passou por uma série cumulativa de melhorias específicas. Atualmente, os pesquisadores do Technion estão propondo uma mudança significativa no conceito que eles acreditam que levará a uma produção de hidrogênio mais barata, limpa e segura. Eles também acreditam que o novo processo provavelmente irá gerar uma revolução na produção de hidrogênio.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Technion (em inglês).

Fonte: Instituto de Tecnologia de Israel (Technion). Imagem: Reprodução.