Eletrolisadores – O que é, como funcionam e sua importância na produção de Hidrogênio Verde.
Por Prof. Aécio D’Silva
AquaUniversity.com
Eletrolisador é um componentes chaves na produção de energia limpa hoje. Eles são usados para gerar hidrogênio para células de combustível, que são dispositivos limpos e eficientes que convertem energia química em energia elétrica.
Neste artigo, vamos dar uma olhada mais de perto em como os Eletrolisadores funcionam e por que eles são essenciais para o nosso futuro.
O que é um Eletrolisador e como funciona?
Eletrolisador é um dispositivo que divide a água em hidrogênio e oxigênio, passando uma corrente elétrica através dele. O processo de eletrólise da água para produzir gás hidrogênio foi descoberto pela primeira vez por Sir William Grove em 1839. Desde então, vários tipos distintos de Eletrolisadores foram desenvolvidos para atender a várias necessidades.
(Image credit: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory)
Eletrolisador é composto de dois eletrodos: um positivo e outro negativo. Quando você aplica eletricidade no Eletrolisador, o gás hidrogênio será liberado por um eletrodo (o cátodo), enquanto o gás oxigênio será liberado no outro eletrodo (o ânodo). Esse processo é chamado de eletrólise.
Isto é, os Eletrolisadores funcionam de forma oposta à forma como as baterias produzem eletricidade: em vez de gerar corrente, a eletrólise usa energia elétrica para quebrar moléculas de água em seus componentes básicos — hidrogênio e gás oxigênio.
Os Eletrolisadores são usados em várias diferentes aplicações diferentes, incluindo processos industriais, produção química e produção de combustível. O hidrogênio produzido por eletróliise é frequentemente usado como uma fonte alternativa de combustível para veículos ou para geração de eletricidade.
Existem vários tipos de Eletrolisadores?
Sim! Existem três tipos principais de Eletrolisadores: alcalino, membrana de troca de prótons (PEM) e Eletrolisadores de óxido sólido (SOEC). Cada tipo tem suas próprias características, aplicações, vantagens e desvantagens, mas todos produzem combustível de hidrogênio a temperaturas e pressões relativamente baixas.
Eletrolisador alcalinos:
Os alcalinos são os tipos mais comuns de Eletrolisadores hoje em dia. Eles requerem uma solução de eletrólito líquida, como hidróxido de potássio (KOH) ou hidróxido de sódio (NAOH), e água.
Os Eletrolisadores alcalinos usam uma solução de íons metálicos alcalinos (como hidróxido de potássio) e eletrodos de carbono para produzir gases de hidrogênio e oxigênio a partir da água.
Eles não são tão eficientes porque exigem muita energia para funcionar corretamente — e muitas vezes exigem etapas extras, como adicionar trocadores de calor ou sistemas de resfriamento para melhorar a eficiência.
O hidrogênio é produzido separando-o do oxigênio em uma série de “células”. Cada célula consiste em um ânodo, cátodo e membrana — adicionar mais células à pilha aumenta tanto a quantidade de hidrogênio gerada quanto a quantidade de oxigênio criada.
A aplicação de uma tensão através da pilha de células faz com que os íons hidróxidos (OH-) se movam de cátodos para ânodos, com bolhas de gás hidrogênio se formando em superfícies de cátodo e gás oxigênio nas do ânodo.
Eletrolisador de membrana de troca de prótons (PEM):
Os PEMs são mais eficientes do que os sistemas alcalinos porque podem operar a temperaturas mais altas sem usar catalisadores de platina — eles só precisam de uma membrana à base de platina para separar hidrogênio de moléculas de gás oxigênio. Os Eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) usam uma solução líquida iônica e produzem hidrogênio à temperatura ambiente.
Os Eletrolisadores PEM usam uma membrana de polímero sólido através da qual os prótons de hidrogênio passam para formar gás H2. Quando a corrente é aplicada na pilha de células, a água se divide em seus componentes de oxigênio e hidrogênio no lado do ânodo e, em seguida, o H2 passa através da membrana para o cátodo.
Eletrolisador de óxido sólido (SOEC)
(SOEC) usam células de Eletrolisadores de óxido sólido para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Estes são os Eletrolisadoress mais eficientes atualmente disponíveis, e são caros. (SOEC) usam um material de óxido como catalisador para dividir a água em gases de hidrogênio e oxigênio.
O processo requer temperaturas elevadas e pressão, o que o torna mais caro do que outros métodos; no entanto, ele tem a maior eficiência de qualquer design de Eletrolisador.
Como selecionar um Eletrolisador?
Eletrolisadores podem ser usados para produzir hidrogênio a partir de uma várias de matérias-primas, incluindo água e gás natural. Eles estão disponíveis em uma variedade de tamanhos, capacidades de energia e tipos de combustível. Os principais fatores a considerar ao escolher um eletrolisador incluem eficiência (quanto hidrogênio eles produzem), quanto você precisa de H2, pressão operacional e, custos das matérias-primas que vai utilizar. Sistemas portáteis têm um investimento inicial menor do que os estacionários, mas são menos eficientes e não são tão fáceis de escalar.
Por exemplo, para um projeto de pesquisa ou demonstração em pequena escala, o Eletrolisador mais simple e menos caro pode ser suficiente. No entanto, se você está considerando uma aplicação comercial que requer hidrogênio de alta qualidade de fontes renováveis a baixos custos e tempos de retorno rápido, então investir em um Eletrolisador de óxido sólido é provavelmente a sua melhor opção.
Qual é a atual condição da aplicação Eletrolisadores?
O uso de Eletrolisadores tornou-se um método comum para converter água em hidrogênio e oxigênio. De fato, a demanda por energia limpa está aumentando rapidamente, o que torna necessário encontrar maneiras mais limpas de produzir hidrogênio. Espera-se que os Eletrolisadores desempenhem um papel vital nesse sentido.
Eletrolisadores estão sendo usados em uma ampla gama de aplicações. Os usos mais comuns incluem tratamento de água e abastecer células de combustível. O tratamento da água também inclui a remoção de CO2 de gases de fluídos gerados por usinas de combustíveis fósseis.
Os Eletrolisadores estão sendo usados mais comumente nas seguintes aplicações:
– Produção de hidrogênio a partir da água (e outros produtos químicos) para uso em células de combustível.
– Tratamento de água.
– Processos industriais de produção e purificação química.
– Produção de amônia. Esta aplicação requer grandes quantidades de hidrogênio, o que significa que a eletricidade de energia renovável agora pode ser utilizada para a produção de hidrogênio para produzir fertilizantes de amônia verde se for utilizado hidrogênio verde.
-Produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis de energia
-Estações de abastecimento de hidrogênio que fornecem combustível para veículos de hidrogênio
-Produção de produtos químicos como cloro e soda cáustica a partir de água e sal. Eles também estão sendo usados na indústria de semicondutores e por outros fabricantes que precisam de hidrogênio de alta pureza para seus processos.
O uso de Eletrolisador para produção de hidrogênio verde
A tecnologia de Eletrolisadores está sendo incrementada rapidamente, e o mercado de veículos movidos a hidrogênio está crescendo cada vez mais. É só verificar quanto empresas como Toyota. Honda, Volvo, Cummins, Tesla e muitas outras estão investindo bilhões de dólares nesta área. Células de combustível de hidrogênio estão sendo usadas em carros, ônibus, caminhões e trens.
Os Eletrolisadores são a espinha dorsal da produção de hidrogênio verde a partir de energia solar, eólica ou outras formas de energia renovável. Eles produzem hidrogênio verde puro dividindo água em hidrogênio e oxigênio. A grande vantagem do hidrogênio é que o H2 pode ser usado para energia ou armazenado para uso posterior pois ele não é somente um combustível, mas um vetor de energia.
Contudo, esta tecnologia levou décadas para aperfeiçoar e reduzir os custos para os que são hoje. Uma das principais desvantagens era a necessidade de platina ou outro metal precioso como catalisador.
Isto foi superado quando uma equipe de pesquisa formada por cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade de Stanford desenvolveu uma inovação fenomenal usando uma combinação de titânio, cobalto e níquel que podem aumentar a eficiência enquanto reduzem os custos. Reações que produzem gás hidrogênio e oxigênio ocorrem em diferentes eletrodos com diferentes catalisadores.
Estes pesquisadores de hidrogênio do SLAC e Stanford substituíram o catalisador de platina no lado gerador de hidrogênio por um catalisador composto por nanopartículas de fosfato de cobalto depositadas em carbono para formar um pó preto fino, que foi produzido pelos pesquisadores da SLAC e Stanford. Como em outros catalisadores, estes produtos químicos aceleraram a eficiência das reações.
Conclusão
Inúmeros estudos têm demonstrado que os Eletrolisadores são atualmente um dos métodos mais eficientes para produzir hidrogênio a partir da eletricidade renovável quando comparados a outras tecnologias, como a reforma do metano a vapor.
Se você tem algum envolvimento em projetos de H2 renovável que é uma das mais importantes inovadoras tecnologias atuais, então entender o que é, como funciona e como selecionar Eletrolisadores, fará toda a diferença no sucesso dos seus empreendimentos de hidrogênio verde.
