Sustentabilidade
Hidrogênio e água doce a partir da água do mar com energia solar
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A demanda por água doce e hidrogênio
Em muitas regiões com população crescente, a água doce é um recurso escasso. Essa falta também pode acirrar tensões entre países, como mostra a disputa entre Egito e Etiópia pelo uso das águas do rio Nilo.
A dessalinização está se tornando mais comum, mas consome muita energia. Mesmo a instalação de numerosos painéis solares nem sempre basta para tornar a produção de água acessível.
Também precisamos de mais energia renovável que possa ser armazenada e usada como combustível em equipamentos pesados e na indústria. O hidrogênio pode ser uma opção, mas seu custo elevado ainda limita a adoção em larga escala.
A energia solar também pode ajudar nesse caso, mas a produção de hidrogênio por eletrólise continua cara.
Uma nova tecnologia de eletrólise alimentada pelo sol tenta enfrentar os dois problemas ao mesmo tempo. Ela usa água do mar como matéria-prima e produz água doce além de hidrogênio.
Pesquisadores da Johns Hopkins University, da Michigan State University, da Cornell University, da Lehigh University e do MIT apresentaram o método em um estudo publicado na revista Energy & Environmental Science com o título “Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”.
Tornando a Água do Mar Útil
Os oceanos cobrem cerca de 70% da superfície terrestre. A água do mar também está ao alcance de muitas pessoas: mais de 40% da população mundial vive a até 100 quilômetros da costa, e mais da metade, a até 200 quilômetros.
Fonte: StatsMapsNPix
“Foi por isso que começamos a desenvolver essa tecnologia. Pensamos em quais recursos são mais abundantes na Terra. A luz do sol e a água do mar são praticamente inesgotáveis e gratuitas como matérias-primas.”
A água do mar, porém, é salgada e não pode ser consumida nem usada diretamente na irrigação. Por isso, regiões áridas buscam outras fontes de água doce, como captação de água da atmosfera ou tratamento mais eficiente de águas residuais. Ainda assim, a dessalinização provavelmente é a única solução duradoura capaz de fornecer grandes volumes de água a muitos países. Como vários deles recebem bastante sol, o processo pode usar energia solar, por exemplo por meio de membranas iônicas ou por evaporação direta. Entretanto, os altos custos fixos desses sistemas encarecem a água produzida.
“Água e energia são essenciais para a vida cotidiana. Em geral, produzir mais energia também aumenta o consumo de água.
Ao mesmo tempo, precisamos de água potável, pois dois terços da população mundial enfrentam escassez de água.”
A água do mar também não pode ser usada diretamente na eletrólise convencional para produzir hidrogênio, que exige água destilada de alta pureza.
Uso Mais Eficiente da Luz Solar
A dessalinização enfrenta um obstáculo econômico: é preciso construir instalações grandes e caras para captar energia solar, embora a água produzida deva ser a mais barata possível.
Os pesquisadores queriam que a mesma instalação solar produzisse hidrogênio, um produto de maior valor, juntamente com água doce.
Os painéis fotovoltaicos aproveitam apenas parte da radiação solar. Nem todos os comprimentos de onda são convertidos em eletricidade pelo silício, e uma eficiência de 100% é impossível.
A radiação não aproveitada aquece a instalação. Esse calor pode reduzir ainda mais a eficiência dos painéis solares, que geralmente funcionam melhor em temperaturas relativamente baixas.
Tudo em um único dispositivo
Os pesquisadores investigaram se um único dispositivo poderia usar luz solar e água do mar para produzir eletricidade, hidrogênio e água doce ao mesmo tempo. A ideia era aproveitar o calor excedente e outros efeitos de cada processo nas demais etapas.
Na configuração proposta, os processos se complementam de várias maneiras:
- Hidrogênio e água doce são produzidos no mesmo dispositivo, permitindo compartilhar equipamentos e custos e aproveitar uma parcela maior do espectro solar.
- A matéria-prima é a água do mar, portanto a produção de hidrogênio não depende de uma fonte separada de água doce.
- A produção de água de alta pureza absorve calor. Isso resfria os painéis solares e pode aumentar a geração de eletricidade.
- A água do mar não toca o eletrocatalisador que produz hidrogênio, o que reduz a corrosão e reações químicas indesejadas.
- A eletricidade gerada é usada diretamente para produzir hidrogênio no mesmo dispositivo, diminuindo a necessidade de baterias e de reforços na rede elétrica.
O projeto técnico
A ideia parece simples, mas fazer todos os processos funcionarem bem ao mesmo tempo é um desafio de engenharia.
Um espaço de ar separa o evaporador do eletrolisador com membrana de troca de prótons (PEM). Assim, a água do mar não entra em contato direto com os eletrocatalisadores.
Os pesquisadores acrescentaram outros componentes para melhorar o funcionamento:
- Um pavio capilar mantém uma película fina de água junto ao painel solar, permitindo que a evaporação o resfrie.
- O calor eleva a pressão do vapor, o que pode aumentar a produção de água destilada e favorecer a geração de hidrogênio.
- O calor liberado quando o vapor volta ao estado líquido pode ser aproveitado para melhorar a eficiência da produção de hidrogênio.
- A água do mar flui em um único sentido para limitar o acúmulo de sal no sistema de dessalinização.
Ao fim do processo, resta água do mar um pouco mais salgada. A água destilada que não é usada na produção de hidrogênio pode ser aproveitada como água doce após verificação de sua qualidade.
“O projeto foi desafiador porque a dessalinização, a eletrólise e o painel solar estão interligados de maneira complexa. A energia solar e as energias elétrica, química e térmica são continuamente transformadas e transferidas.”
Teste do protótipo
Nos testes do sistema híbrido de destilação solar e eletrólise da água (HSD-WE), uma célula de 10 × 10 centímetros produziu cerca de 200 mililitros de hidrogênio por hora a partir da água do mar, sob luz solar natural. A eficiência de conversão da luz solar em hidrogênio foi de 12,6%.
Fonte: Cornell University
O teste foi realizado ao ar livre, com água do mar e condições climáticas variáveis. Em parte do dia, a nebulosidade reduziu a produção de hidrogênio.
Custos estimados
Os pesquisadores modelaram a produção de hidrogênio do dispositivo em diferentes locais. Segundo seus cálculos, o custo chegaria a cerca de US$ 5 por quilograma após três anos de operação e a cerca de US$ 1 por quilograma ao longo de uma vida útil de 15 anos. São projeções, não custos medidos em uma instalação comercial. Para comparação, os autores citaram um custo médio de aproximadamente US$ 10 por quilograma para o hidrogênio verde naquele momento.
Os custos do hidrogênio verde convencional dependem fortemente do preço da eletricidade e do investimento em equipamentos.
O HSD-WE aproveita a luz solar diretamente e usa muitos componentes passivos. No modelo, isso pode reduzir despesas adicionais com conexão à rede, transporte de água e armazenamento. Ainda é preciso verificar se essa vantagem se mantém em grande escala.
“Queremos evitar emissões de carbono e poluição. Ao mesmo tempo, os custos nos preocupam: quanto menores forem, maior será o potencial de adoção em larga escala. Acreditamos que futuras instalações têm grande potencial.”
Perfil da empresa: Xylem e o abastecimento de água
XYL Gráfico de preços
Ao lado da europeia Veolia, a Xylem é uma grande empresa de purificação de água, tratamento de esgoto e dessalinização. Segundo os dados da companhia citados no artigo, tinha mais de 23 mil funcionários, dos quais mais de 6 mil eram engenheiros. Atuava em 150 países e atendia diretamente mais de 35 mil clientes industriais.
Seus principais mercados são os sistemas municipais de água potável e esgoto. A empresa também fornece soluções para setores como saúde, energia, alimentos e bebidas e microeletrônica.
Fonte: Xylem
A Xylem fornece equipamentos para tratar e produzir água, incluindo geradores de ozônio, lâmpadas UV, membranas de dessalinização e sistemas de água ultrapura. Também oferece bombas, tubulações e software, além de serviços de instalação, manutenção e reparo.
Fonte: Xylem
O setor de água é fragmentado. A Xylem está entre as maiores empresas do ramo, mas, segundo a estimativa citada no artigo, sua participação no mercado que atende era de cerca de 10%.
A empresa destina aproximadamente 4% de suas vendas a pesquisa e desenvolvimento. Pode se beneficiar de novas regras relativas a PFAS (substâncias perfluoroalquiladas e polifluoroalquiladas, conhecidas como “químicos eternos”), que podem exigir novos sistemas de tratamento em milhares de instalações de abastecimento de água.
O perfil da companhia está ligado a investimentos de longo prazo em infraestrutura hídrica. Quem considera investir na Xylem deve, contudo, avaliar números atualizados, preço das ações e riscos.
Últimas notícias da Xylem Inc.
Estudo citado:
1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”. Energy Environ. Sci., 2025, 18, 5264–5276. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E
