Leia os relatórios de sustentabilidade divulgados por empresas químicas e você encontrará uma frase repetidas vezes: “hidrogênio verde”. Isso significa H 2 produzido pela divisão da água com eletricidade renovável. E não é só a indústria química. Em materiais, aço, biocombustíveis, utilização de dióxido de carbono, transporte pesado e até mesmo no fornecimento de eletricidade em nível de rede, o hidrogênio verde está no centro de inúmeros planos de descarbonização.
Eletrolisadores: as ferramentas para tornar o hidrogênio verde
Mas a verdade é que o hidrogênio verde quase não existe. Menos de 1% dos 10 milhões de toneladas métricas (t) de hidrogênio produzido nos EUA hoje conta como verde, de acordo com um relatório de maio de 2023 da Carbon Solutions, uma consultoria de redução de gases de efeito estufa .
Em vez disso, 76% é derivado do gás natural ou carvão, um processo que emite até 18 kg de dióxido de carbono para cada quilo de hidrogênio produzido, e 23% é um subproduto do refino de petróleo ou outros processos químicos. Globalmente, o mercado de hidrogênio é de cerca de 96 milhões de t por ano, com uma porção igualmente pequena produzida de maneira ecológica.
Uma infinidade de desafios se interpõe no caminho do hidrogênio verde como um burro de carga para salvar o clima, sendo o primeiro a disponibilidade de eletricidade renovável. “É preciso que essa energia venha de uma fonte verde para torná-la realmente viável”, diz Amanda Morris, professora de química da Virginia Tech cuja pesquisa inclui materiais catalíticos para aplicações energéticas. “A capacidade solar dos Estados Unidos está longe de ser capaz de criar uma economia de hidrogênio verde.”
A infraestrutura é outro obstáculo, já que o pequeno tamanho molecular do hidrogênio permite que ele vaze por materiais de oleodutos e contêineres que funcionam bem para outros gases. A maioria das novas aplicações esperançosas para H 2 também precisarão amadurecer de projetos-piloto para escala comercial. E a eletrólise competirá com outras rotas de baixo carbono para o hidrogênio e com outros usos para eletricidade de baixo carbono.
A indústria também precisará construir mais eletrolisadores – muito mais. Os eletrolisadores são as peças centrais de um kit químico que divide um mol de H 2 O em um mol de H 2 e meio mol de O 2 .
O relatório da Carbon Solutions coloca o número de eletrolisadores operando nos EUA em apenas 42, com uma capacidade combinada de produção de hidrogênio de cerca de 3.000 t por ano. O Departamento de Energia dos EUA (DOE) pretende ter 10 milhões de t de hidrogênio limpo fluindo por ano até 2030, 20 milhões t até 2040 e 50 milhões t até 2050. Cerca de metade dessa produção virá de eletrólise movida a fontes renováveis.
E isso é apenas os EUA. O grupo de inteligência de mercado Rethink Technology Research projeta que, até 2050, a demanda global por hidrogênio limpo chegará a mais de 580 milhões de t. O hidrogênio azul, produzido pela conversão de combustíveis fósseis em hidrogênio e pela captura e sequestro do CO 2 resultante , está incluído na definição de hidrogênio limpo usada pela Rethink e pelo DOE. Mas o hidrogênio azul desfruta de fraco apoio fora dos EUA e tem um histórico instável de reduções reais de gases de efeito estufa , então a maioria dos observadores da indústria espera que o hidrogênio verde reivindique a maior parte da demanda global.
Todo esse novo hidrogênio soma US$ 2 trilhões em compras globais de eletrolisadores nos próximos 27 anos, diz Rethink. Essas compras serão a espinha dorsal de um mercado anual de hidrogênio verde que pode valer US$ 850 bilhões.
Muitos eletrolisadores serão maiores do que os da frota atual. De acordo com a Carbon Solutions, a unidade média de eletrólise nos EUA produz hoje 0,20 t de hidrogênio por dia. O governo dos EUA quer investir US$ 8 bilhões em vários centros de hidrogênio em todo o país até 2026, e eles serão obrigados a produzir cerca de 250 vezes mais hidrogênio – pelo menos 50 t por dia.
O zeitgeist otimista em torno da eletrólise é o produto de mais do que apenas projeções e metas do governo. Os fabricantes de eletrolisadores dizem que o ambiente de negócios em torno do hidrogênio verde é diferente de outras épocas da história recente, quando especialistas previram a chegada de uma economia de hidrogênio.
“Sentimos uma diferença radical em relação ao que vimos no passado”, diz Everett Anderson, vice-presidente de desenvolvimento de produtos avançados da Nel, fabricante norueguesa de eletrolisadores.
As encomendas são muito maiores, diz Anderson, e as entidades que planejam usinas de produção de hidrogênio eletrolítico são diferentes de antes. “Fomos contatados antes por desenvolvedores pontuais. Agora são importantes empresas multinacionais de energia e indústria que estão neste espaço procurando fazer esses projetos.”
ALCALINA VERSUS PEM
Quase todos os eletrolisadores que operam hoje são baseados em uma das duas tecnologias: células alcalinas e células de membrana de troca de prótons (PEM). As empresas que fabricam um terceiro tipo, células de eletrólise de óxido sólido (SOECs), dizem que já estão recebendo pedidos à medida que avançam rapidamente para construir fábricas para produzi-las. Uma quarta química de eletrólise, baseada em uma membrana de troca aniônica (AEM), poderia um dia combinar as vantagens das células alcalinas e PEM.
O termo eletrólise da água significa literalmente dividir a água usando eletricidade. A reação química líquida é sempre a mesma, H 2 O → H 2 + ½ O 2 , e a voltagem sempre puxa os elétrons para fora do ânodo e através de um circuito externo e os empurra para o cátodo. O que varia entre os tipos de células é como os produtos químicos e os materiais dentro da célula equilibram esse fluxo de elétrons passando portadores de carga – íons – entre os eletrodos.
As células alcalinas são a tecnologia mais antiga e madura para separar a água da eletricidade. A indústria química produz hidrogênio dessa maneira desde 1800, quando o gás desfrutou de uma explosão enchendo dirigíveis e outras aeronaves flutuantes.
A norueguesa Nel vende sistemas que usam células alcalinas e PEMs. A principal experiência da empresa é com química alcalina, que oferece em escalas de megawatts para clientes na Europa desde a década de 1950. A Nel adquiriu a Proton Energy Systems, com sede em Connecticut, em 2017, tanto para entrar no PEM quanto para estabelecer uma posição na América do Norte, diz Anderson.
Em uma célula alcalina comercial, hidróxido de potássio aquoso concentrado ou hidróxido de sódio serve como eletrólito, transportando corrente elétrica na forma de íons – OH. A célula gera O 2 no ânodo e H 2 no cátodo; um material separador geralmente feito de cerâmica, como o óxido de zircônio, evita que os gases se misturem, permitindo que a água e os íons se movam livremente.
Os PEMs, por outro lado, conduzem carga por meio de íons H + que se movem através de uma membrana de polímero sólido. O polímero apresenta grupos funcionais carregados negativamente, mais comumente ácido sulfônico, que pode passar por cátions, mas rejeitar ânions, de acordo com Simon Cleghorn, gerente global de produtos da fabricante de membranas WL Gore. O ânodo e o cátodo estão ligados diretamente aos dois lados da membrana.
“Para ambas as tecnologias, temos roteiros para melhorar a eficiência e reduzir custos”, diz Anderson da Nel. “Devido à maturidade e ao nível de industrialização já alcançado, a inclinação da curva de redução de custos no alcalino é menor do que no PEM. Acho que há mais oportunidades do lado do PEM”, diz ele, em parte devido à sobreposição de P&D com tecnologias de células de combustível.
Morris, da Virginia Tech, diz que os materiais de eletrodos são uma frente de P&D para células alcalinas. Os materiais existentes são espumas metálicas feitas de níquel e ligas de ferro, diz ela. Pesquisadores acadêmicos estão explorando ligas com três, quatro e cinco componentes. A pesquisa da indústria inclui novas configurações de células que aumentam a pressão de saída do hidrogênio.
Cleghorn diz que tornar as membranas mais finas é importante em P&D de PEM. Membranas mais finas devem oferecer menos resistência, o que aumentaria a saída de hidrogênio de uma determinada quantidade de superfície. Ao mesmo tempo, eletrodos que usam menos matéria-prima economizariam em custos. Os PEMs padrão precisam de eletrodos feitos dos metais preciosos platina e irídio para suportar as condições ácidas dentro da célula, que comeria eletrodos de níquel e ferro.
Todos esses esforços de P&D formam uma base para a competição entre os fornecedores. Cada empresa também deve incorporar a facilidade de fabricação nos detalhes de engenharia do design da célula e do dispositivo. Anderson, por exemplo, diz que Nel está trabalhando na fabricação PEM rolo a rolo para melhorar o rendimento, a qualidade e a uniformidade, o que permitirá membranas mais finas e eficientes e reduzirá o uso de metais preciosos. E a literatura de patentes corporativas está ativa com métodos para reduzir a distância física entre eletrodos em células alcalinas, uma mudança que cortaria a voltagem necessária para conduzir a eletrólise.
É razoável, pelo menos por enquanto, pensar nos sistemas alcalinos como grandes e poderosos e nos kits PEM como pequenos e ágeis. Os sistemas de eletrólise alcalina também são mais baratos, de US$ 500 a US$ 1.000 por quilowatt, contra US$ 1.100 a US$ 1.800 por quilowatt para sistemas PEM, de acordo com estimativas da Agência Internacional de Energia. Um quilowatt é aproximadamente equivalente a 0,5 kg de hidrogênio por dia nas eficiências atuais.
Os eletrolisadores PEM, no entanto, podem aumentar e diminuir a produção de hidrogênio com rapidez e facilidade, o que os torna atraentes para projetos alimentados diretamente por energia eólica ou solar, porque podem diminuir automaticamente a produção quando o vento não está soprando ou o sol não está brilhando.
COMPRA DE ELETROLISADORES
As decisões de compra de eletrolisadores da start-up Air Company fornecem uma janela para o estado atual do mercado. A Air Company está comercializando um conjunto de catalisadores que convertem dióxido de carbono e hidrogênio em metanol, etanol e combustível para aviação. E está trabalhando em um projeto recém-anunciado com o programa espacial dos EUA para produzir proteínas comestíveis, também usando hidrogênio eletrolítico.
A empresa tem uma planta piloto no Brooklyn, Nova York, que funciona com CO 2 capturado de fábricas de etanol no estado de Nova York e hidrogênio verde produzido no local. “Hoje, nosso negócio usa eletrolisadores PEM”, diz Stafford Sheehan , cofundador e diretor de tecnologia da empresa. “Na cidade de Nova York, o tamanho físico do eletrolisador é uma consideração real, e os sistemas PEM oferecem o design mais compacto.” Uma unidade PEM de 140 kW da Nel fornece os 40 kg de H 2 por dia de que a planta piloto precisa, diz ele. A unidade é uma caixa independente do tamanho de um Fusca.
Os sistemas alcalinos são muito maiores por dois motivos principais: As células têm uma saída menor por centímetro quadrado, um parâmetro frequentemente descrito como densidade de corrente, portanto, unidades maiores são necessárias. Eles também operam próximo à pressão ambiente, o que significa que precisam de muitos tanques, tubulações e compressores de suporte para armazenar e fornecer hidrogênio de alta pressão, que é o que a maioria dos clientes de hidrogênio usa. Os sistemas de membrana e óxido sólido operam em altas pressões e possuem menos componentes cáusticos, portanto, requerem menos infraestrutura.
Fonte: C&EN
CATEGORIAS Química
