Avanços na Produção de Hidrogênio com Eletrolise à Base de Níquel

Avançando com a Eletrolise para a Produção de Hidrogênio

Hydrogen is considered a serious candidate for replacing fossil fuels. This is true in transportation, thanks to fuel cells, and in industrial processes where hydrogen’s high combustion temperature can replace coal & natural gas when electrification is not an option.

Um problema é que o hidrogênio não é frequentemente encontrado em depósitos naturais de fácil acesso, como o gás natural. Em vez disso, ele precisa ser gerado artificialmente, sendo a eletrolise o método mais comumente usado.

A eletrolise é a quebra da água em hidrogênio e oxigênio. Entre os problemas da forma como a eletrolise é atualmente realizada estão a baixa eficiência (desperdício de energia) e os altos custos, principalmente devido a catalisadores caros como o platina.

Uma equipe de pesquisa da Coreia pode ter encontrado uma maneira de aumentar a eficiência e substituir os catalisadores caros por níquel, muito mais barato e abundante.

Nanoarranjos de Níquel Impulsionando a Produção de Hidrogênio

Os pesquisadores da equipe do Professor Jong Kyu Kim no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da POSTECH (Universidade de Pohang, Coreia) têm buscado resolver um grande problema da eletrolise do hidrogênio.

Fonte: POSTECH

O problema é que, quando produzido, o hidrogênio permanece “colado” ao catalisador, impedindo que ele alcance mais água e continue a funcionar. Isso diminui a eficiência, aumenta a energia necessária e, em última análise, requer catalisadores mais caros do que o necessário.

Em vez disso, o Prof. Jong Kyu Kim e sua equipe criaram protuberâncias de nanorod de níquel finamente trabalhadas, não totalmente alinhadas verticalmente. A nanostrutura e o ângulo inclinado dos bastões de níquel exibem o que é chamado de “super-aerofobicidade”, fazendo com que as bolhas de hidrogênio se desprendam mais facilmente.

Isso, por sua vez, libera espaço para que a água alcance o catalisador e permite uma eletrolise mais eficiente.

Fonte: POSTECH

Isso pode aumentar drasticamente a eficiência do processo, com uma notável melhoria de 55 vezes na eficiência de produção de hidrogênio em comparação com a mesma quantidade de níquel em uma estrutura tradicional de filme fino.

Expandindo Além dos Catalisadores de Níquel

A tecnologia utilizou nanorods de níquel, mas não precisa ficar limitada a esse metal. Na verdade, esse metal de nanorods oblíquos que reduzem a aderência do hidrogênio pode teoricamente ser usado com qualquer outro catalisador. Então, o que isso significa para as perspectivas do hidrogênio?

Eletrolise Melhorada

Atualmente, a maior parte do hidrogênio produzido no mundo é feita a partir de gás natural. Isso é economicamente mais lucrativo, mas contradiz o objetivo de produzir hidrogênio para reduzir as emissões de carbono.

Para obter hidrogênio verdadeiramente neutro em carbono, produzi-lo a partir de eletricidade gerada por fontes renováveis é o caminho, geralmente chamado de “hidrogênio verde”.

Qualquer método que possa reduzir o custo total da cadeia de suprimentos do hidrogênio verde nos aproxima de torná-lo uma alternativa viável aos combustíveis fósseis.

Isso pode ser verdade para catalisadores de platina “clássicos”, de alta eficiência e alto custo, talvez em combinação com os bastões de níquel.

Também poderia ser possível aplicá-lo a outros catalisadores de eletrolise recentemente descobertos e econômicos, como rutenium, silício e tungstênio (RuSiW) que abordamos em nosso artigo “Hidrogênio Verde Está Pronto para Substituir o Cinza à Medida que Novos Eletrocatalisadores Tornam a Produção Econômica”.

Cadeia de Suprimentos de Hidrogênio Melhorada

A eletrolise é também apenas uma das etapas que podem ser aprimoradas para tornar o hidrogênio uma peça central de nossos sistemas energéticos.

Por exemplo, células de combustível melhores poderiam tornar os veículos a hidrogênio fortes concorrentes dos veículos elétricos, algo que discutimos em nosso artigo “As Células de Bateria São Apenas Precursoras das Células de Combustível de Hidrogênio? A Verdadeira Próxima Geração de Veículos Elétricos?”.

E soluções de armazenamento em larga escala mais eficientes podem tornar o hidrogênio muito mais fácil de manusear e distribuir, algo que discutimos em nosso artigo “O Hidrogênio Tornou-se Mais Atraente como Fonte de Energia Graças a um Avanço no Contenção”.

Potenciais Outras Aplicações

O uso de nanorods inclinados para criar super-aerofobicidade pode ter aplicações além do hidrogênio.

O primeiro efeito é que, com produção de hidrogênio barata e eficiente, vem também a produção de amônia igualmente eficiente. A amônia tem algumas vantagens significativas sobre o hidrogênio para aplicações como combustível para transporte marítimo, algo que discutimos em “Descarbonizando Rotas Marítimas Globais através da Amônia Verde”.

O Professor Jong Kyu Kim também mencionou que a tecnologia de nanorods poderia beneficiar outros processos químicos envolvendo gases.

“Ao melhorar a eficiência do processo de eletrolise da água para a produção de hidrogênio verde, estamos avançando em direção a uma economia de hidrogênio e a uma sociedade neutra em carbono.

Essa descoberta beneficia a eletrolise da água e promete várias outras aplicações de energia renovável onde as reações de superfície desempenham um papel crucial, como a redução de dióxido de carbono e sistemas de conversão de energia luminosa.”

Portanto, essa inovação pode ir além do hidrogênio e ter um impacto significativo na captura de carbono e na fotossíntese artificial, uma ideia que começamos a explorar em “Fotossíntese Artificial e Biodegradabilidade: Combatendo a Ameaça dos Plásticos com Sustentabilidade em Mente”.

Empresas de Soluções de Hidrogênio

1. Aker Horizons ASA

A descoberta de como usar nanorods de níquel é apenas a mais recente de uma série de inovações que aumentam as perspectivas do hidrogênio como combustível alternativo e solução de armazenamento de energia. Portanto, pode ser vantajoso ter uma exposição diversificada a todas as etapas da cadeia de suprimentos de hidrogênio.

A Aker Horizons é uma subsidiária do grupo Aker, que está centrado em energia verde. O grupo Aker é um importante conglomerado norueguês focado em renováveis e negócios marítimos/offshore. A Aker Horizon é a holding de várias subsidiárias, incluindo captura de carbono, hidrogênio verde e energias renováveis.

Fonte: Aker

A empresa é notavelmente muito ativa na geração de hidrogênio e amônia verde, com o objetivo de descarbonizar o transporte marítimo do Ártico, especialmente na Noruega.

A Aker Horizons pode gerir toda a integração vertical do hidrogênio verde e da amônia, desde turbinas eólicas offshore até a geração de hidrogênio e produção de amônia verde.

Também está trabalhando em projetos como resíduos para energia na França, uma planta de biomassa na Alemanha e captura de carbono no Oriente Médio (Arábia Saudita e Emirados Árabes Unidos).

Isso a torna uma boa ação para investidores que buscam exposição ao setor de energia verde em geral, com forte posicionamento em amônia verde & transporte marítimo, mas também em outras energias verdes, e alguma diversificação geográfica.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Ainda não temos certeza de qual será o principal mercado para o hidrogênio. Pode ser geração de energia e combustível para automóveis, mas também pode permanecer restrito a tarefas mais pesadas que são mais difíceis de eletrificar.

A Ballard é fabricante de células de combustível e pioneira da tecnologia, com seu primeiro ônibus de célula de combustível em 1993.

A empresa está focada em mercados de grande porte: ônibus, caminhões, trens/tramways, navios, mineração/construção e energia. Enquanto os ônibus têm sido o núcleo do negócio, a empresa espera que até 2025 os caminhões sejam um segmento de negócios importante. Também espera que a Europa continue sendo seu principal mercado (50‑60 %), seguida da América do Norte (25 %).

Espera‑se que as células de combustível para caminhões continuem crescendo e representem um mercado de US$ 7,5 bilhões em 2030 (de um TAM de US$ 195 bilhões), quase tão grande quanto todas as outras aplicações de hidrogênio/células de combustível combinadas.

Esse crescimento pode acelerar se os preços de produção de hidrogênio diminuírem graças a novas tecnologias, como eletrolise aprimorada e mais barata.

Fonte: Ballard

Devido à maior potência necessária e à necessidade de carregamento rápido, veículos de grande porte têm sido um bom mercado para hidrogênio e células de combustível em comparação com veículos mais leves, como carros. Também reduz a necessidade de fios catenários para trens e ônibus elétricos.

Fonte: Ballard

A empresa também não é estranha à amônia, com, por exemplo, um contrato recente com Amogy para fornecer células de combustível para sua “plataforma de amônia para energia que depende de tecnologia única de craqueamento de amônia”.

Embora os veículos elétricos tenham uma chance razoável de assumir rapidamente os mercados de automóveis, veículos mais pesados são mais difíceis de descarbonizar.

Com sua liderança estabelecida no setor, a Ballard seria uma grande beneficiária de um impulso político em direção a uma economia de hidrogênio, bem como da rápida queda nos custos de produção de hidrogênio a partir da eletrolise baseada em níquel.