Energia
Gerando Hidrogênio ao Dividir Água com Swarf Incorporado
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Hidrogênio e Custos da Eletrólise
O hidrogênio é um combustível promissor para a descarbonização de transportes e para o armazenamento de energia. Pode ser uma opção, diretamente ou em combustíveis derivados, para setores difíceis de eletrificar, como navegação e aviação. Seu benefício climático depende de como é produzido e utilizado.
Um dos obstáculos à economia do hidrogênio é o custo, sobretudo o de produção.
O hidrogênio verde pode ser produzido por eletrólise com eletricidade renovável. O processo exige energia e catalisadores. Certas tecnologias utilizam metais caros, como platina; outras usam materiais diferentes. Reduzir a carga de platina pode diminuir parte do custo dos eletrodos, sem eliminar os demais custos do eletrolisador.
A platina é cara e escassa. Uma expansão de tecnologias que dependem dela também exige uso eficiente do material, reciclagem e atenção à cadeia de abastecimento.
Nesse contexto, pesquisadores anunciaram uma redução da quantidade de platina necessária em eletrodos experimentais.
“Conseguimos produzir hidrogênio a partir da água usando apenas um décimo da carga de platina de catalisadores comerciais de última geração.” — Dr. Madasamy Thangamuthu, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Nottingham.
Eletrólise com cavacos metálicos
A descoberta foi apresentada por pesquisadores da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, em um artigo da revista Journal of Materials Chemistry A intitulado “Da sucata metálica a eletrodos altamente eficientes: aproveitando a superfície nanotexturizada de cavacos para utilizar Pt e Co de forma eficaz na produção de hidrogênio”.
O ponto de partida foi a análise de cavacos em escala nanométrica. Cavacos são resíduos gerados na usinagem de metais, como aço inoxidável, titânio e ligas de níquel. A indústria britânica gera milhões de toneladas de resíduos metálicos por ano.
Fonte: Universidade de Nottingham
Ao examinar esses cavacos por microscopia eletrônica, os pesquisadores observaram sulcos e degraus com largura de apenas dezenas de nanômetros, em vez de superfícies perfeitamente lisas.
Essa textura pode oferecer locais de ancoragem para catalisadores e favorecer seu uso em eletrodos para a eletrólise da água.
Deposição de platina nos cavacos
Para depositar platina nos cavacos, os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada pulverização catódica por magnetron. A técnica também é empregada na fabricação de semicondutores. Um plasma remove átomos de um alvo metálico, que se depositam no substrato; o campo magnético ajuda a confinar os elétrons do plasma.
Fonte: Korvus Tech
O processo produz uma espécie de “chuva” de átomos de platina, que se depositam na superfície nanotexturizada dos cavacos.
“Ao distribuir apenas 28 microgramas do metal precioso sobre 1 cm² de cavaco, criamos um eletrolisador de laboratório que, segundo a divulgação da universidade, operou com “100% de eficiência” e produziu 0,5 litro de hidrogênio por minuto a partir de um único cavaco.” — Dr. Madasamy Thangamuthu, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Nottingham. A expressão “100% de eficiência” da divulgação não deve ser interpretada como conversão integral de eletricidade em energia do hidrogênio nem como ausência de perdas energéticas.
O método permitiu criar dois tipos de eletrodos eletrocatalíticos:
- Cavacos de titânio com platina, para a reação de evolução de hidrogênio (HER).
- Cavacos de níquel com cobalto, para a reação de evolução de oxigênio (OER).
Na divulgação de 2024, os pesquisadores de Nottingham informaram que trabalhavam com a AqSorption para ampliar a escala da tecnologia.
Unindo Inovações em Hidrogênio
Novos Paradigmas de Catalisadores
A expansão do uso de hidrogênio exige melhorar a eficiência e os custos da produção, do armazenamento e da distribuição.
O custo e a disponibilidade de materiais também motivam a busca de catalisadores alternativos. Já abordamos nanobastões de níquel em “Avanços na produção de hidrogênio com eletrólise à base de níquel” e combinações de rutênio, silício e tungstênio (RuSiW) em “Hidrogênio verde pode substituir o cinza à medida que novos eletrocatalisadores reduzem o custo de produção”.
O uso de cavacos pode reduzir a quantidade de certos catalisadores necessária. Não demonstra que a pesquisa de materiais alternativos deixou de ser importante.
Combinar essas abordagens é uma possibilidade a investigar. Nanobastões de platina ou outros materiais poderiam ser estudados, mas seu desempenho e sua viabilidade não decorrem automaticamente deste resultado. A redução de dez vezes refere-se à carga de platina na comparação experimental, não ao custo total do hidrogênio.
Avanços no hidrogênio e na amônia
Outras inovações podem complementar a produção, como as soluções de armazenamento tratadas em “Hidrogênio se torna mais atraente como fonte de energia com avanço no armazenamento” e as tecnologias de conversão em eletricidade discutidas em “As baterias são apenas precursoras das células a combustível de hidrogênio? A próxima geração de veículos elétricos?”.
A amônia também é estudada como combustível e vetor de transporte e armazenamento de hidrogênio. Esses usos exigem considerar toxicidade, eficiência, emissões e infraestrutura, como discutimos em “Descarbonizando rotas marítimas globais com amônia verde” e “A produção de amônia prejudica o ambiente: engenheiros desenvolveram um método mais limpo”.
Empresas Focadas em Hidrogênio
1. Sibanye Stillwater
SBSW Gráfico de preços
Se puder ser ampliado de forma durável e econômica, o uso de cavacos poderá contribuir para reduzir custos de eletrodos e melhorar a viabilidade de algumas tecnologias de hidrogênio verde.
O efeito sobre o mercado de platina é incerto: maior adoção pode aumentar a demanda, enquanto menor carga por equipamento pode reduzi-la.
Uma fonte importante de demanda por platina são os catalisadores automotivos de veículos com motor a combustão. A expansão dos veículos elétricos a bateria pode afetar essa demanda, embora a evolução varie por mercado e tipo de veículo.
Fonte: Sibanye Stillwater
A eletrólise e as células a combustível podem criar oportunidades adicionais para a platina. Isso não assegura demanda futura nem sucesso comercial para esta tecnologia experimental.
A sul-africana Sibanye-Stillwater é uma das principais produtoras de metais do grupo da platina. A África do Sul ocupa posição central na oferta mundial. Os percentuais de 80% para o país e de um quarto dessa produção para a empresa citados no original precisam de ano e definição comparáveis; não devem ser tratados como participações permanentes.
Fonte: Mining Technology
A empresa também produz paládio, ródio e rutênio. Já tinha um importante negócio de ouro muito antes deste estudo de 2024; não estava apenas começando a entrar nesse mercado. A diversificação inclui metais para baterias e reciclagem.
Fonte: Sibanye Stillwater
As perspectivas da platina dependem, entre outros fatores, da evolução dos veículos elétricos a bateria e dos motores a combustão. Novos usos em hidrogênio também podem influenciar a demanda por platina e outros metais do grupo.
A platina é utilizada em muitas células a combustível de membrana de troca de prótons, mas não em todos os tipos de célula a combustível. Avanços no hidrogênio podem ser relevantes para mineradoras como a Sibanye-Stillwater; não garantem aumento de lucros nem valorização das ações.
2. Ballard Power Systems Inc.
BLDP Gráfico de preços
A Ballard fabrica células a combustível e tem uma longa trajetória na tecnologia, incluindo um ônibus demonstrador apresentado em 1993.
A empresa atende aplicações pesadas, como ônibus, caminhões, trens, embarcações, equipamentos de mineração e construção e geração de energia. O original cita expectativas de que caminhões ganhariam importância em 2025 e de participação regional de 50–60% para a Europa e 25% para a América do Norte. São projeções da época, não resultados assegurados.
O original também cita um mercado de células a combustível para caminhões de US$ 7,5 bilhões em 2030 e um mercado total endereçável de US$ 195 bilhões. Esses números são estimativas com escopos distintos, não receita da Ballard nem garantia de crescimento. A redução do custo do hidrogênio pode favorecer a adoção.
Fonte: Ballard
Veículos pesados podem se beneficiar do abastecimento rápido e de determinadas características das células a combustível, conforme a operação. Em algumas rotas ferroviárias elas podem substituir a instalação de catenárias. A competitividade depende também de eficiência, infraestrutura e alternativas, como baterias.
Fonte: Ballard
A Ballard também participa de projetos relacionados à amônia, por exemplo em um contrato com a Amogy para fornecer células a combustível a uma plataforma que transforma amônia em eletricidade por meio de tecnologia de craqueamento da amônia.
Descarbonizar veículos pesados é um desafio, e políticas favoráveis ao hidrogênio podem criar oportunidades para fornecedores como a Ballard. Isso depende de contratos, custos e execução; não assegura que a empresa será a principal beneficiária.
Melhorias nos catalisadores podem reduzir parte do custo de produção do hidrogênio, mas não se traduzem automaticamente na mesma redução do preço do combustível entregue. Eletricidade, equipamentos, transporte, impostos e infraestrutura também contam. Preços do petróleo e políticas de carbono podem alterar a comparação econômica entre tecnologias.
