Produzindo Hidrogênio a partir de CeO2? Basta usar um micro-ondas para Resultados Rápidos

Os combustíveis fósseis prejudicam nosso clima. Como sabemos, o mundo está avançando rapidamente em direção a fontes de energia renováveis, sustentáveis e verdes. Nesta busca por combustíveis amigáveis ao clima, o hidrogênio surgiu como uma fonte potencial de descarbonização.

A tecnologia tornou possível produzir hidrogênio com zero ou muito poucas emissões de gases de efeito estufa. O interesse no hidrogênio é tão alto que o Departamento de Energia dos Estados Unidos estabeleceu metas nacionais para aumentar a produção anual de “hidrogênio limpo” de quase zero para 10 milhões de toneladas métricas até 2030 e 50 milhões de toneladas métricas até 2050. 

No entanto, há um gargalo crítico no processo. Métodos termoelétricos tradicionais, que dependem da oxidação-redução de óxidos metálicos, exigem operações em temperaturas extremamente altas. A temperatura pode chegar a até 1500 graus centígrados. 

Recentemente, uma equipe de pesquisadores da POSTECH, Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, Coreia, encontrou uma maneira de contornar esse gargalo.

O processo envolve uma fonte de energia familiar, porém subutilizada: energia de “micro-ondas”. Sim! Você não está enganado. É a mesma fonte usada em fornos de micro-ondas domésticos. A pesquisa tem o título ‘Avaliação Termodinâmica de CeO₂ dopado com Gd para redução termquímica assistida por micro-ondas.¹‘ 

No segmento a seguir, discutimos as implicações desta pesquisa. 

Uma Tecnologia Revolucionária que Aborda Limitações-Chave na Produção de Hidrogênio Limpo Usando Micro-ondas

A equipe era composta por pesquisadores interdisciplinares da POSTECH e foi liderada pelo Professor Gunsu S. Yun. Incluía o candidato a doutorado Jaemin Yoo (Departamento de Física, Divisão de Engenharia Nuclear Avançada), o Professor Hyungyu Jin e o candidato a doutorado Dongkyu Lee (Departamento de Engenharia Mecânica). Reconhecida como um avanço na busca por energia sustentável, a pesquisa foi destacada na capa interna da Journal of Materials Chemistry A.

Os pesquisadores partiram da premissa de que, embora os micro-ondas possam aquecer alimentos de forma eficiente, eles também podem impulsionar reações químicas. Eles aplicaram essa ideia para reduzir a temperatura de redução da ceria dopada com Gd (CeO2). A ceria dopada com Gd (CeO2) é um material de referência para a produção de hidrogênio, e a energia de micro-ondas pode reduzir a temperatura de redução desse material em mais de 60 % — para abaixo de 600 graus centígrados. 

A energia de micro-ondas poderia substituir 75 % da energia térmica necessária para a reação. Essa descoberta é justificadamente um avanço para a produção sustentável de hidrogênio.

Ao explicar por que a pesquisa e suas descobertas podem ser consideradas revolucionárias, o Professor Hyungyu Jin disse o seguinte:

“Esta pesquisa tem o potencial de revolucionar a viabilidade comercial das tecnologias de produção de hidrogênio termquímico. Também abrirá caminho para o desenvolvimento de novos materiais otimizados para processos químicos impulsionados por micro-ondas.”

O Professor Gunsu Yun descreveu a introdução desse novo mecanismo e sua superação das limitações dos processos existentes como “grandes conquistas” que só foram possíveis graças à estreita colaboração interdisciplinar da equipe de pesquisa. 

Outro avanço alcançado pela equipe foi a criação de Vacâncias de Oxigênio. Estas são defeitos na estrutura do material que ajudam a dividir a água em hidrogênio. Enquanto os métodos tradicionais podem levar horas em temperaturas muito altas, a equipe da POSTECH demonstrou como os mesmos resultados podem ser obtidos em apenas minutos a temperaturas abaixo de 600°C ao utilizar a tecnologia de micro-ondas.

Embora a pesquisa da POSTECH tenha oferecido um avanço significativo, há muitas outras organizações de pesquisa ao redor do mundo que têm atuado na produção de métodos inovadores para produção de hidrogênio limpo. Uma das organizações na vanguarda dessa pesquisa é o Laboratório Nacional de Energia Renovável, um laboratório nacional do Departamento de Energia dos Estados Unidos, Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável, operado pela Alliance for Sustainable Energy LLC.

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Produção de Hidrogênio de Baixo Custo: Outros Esforços

Desenvolvido em colaboração com a Xcel Energy (XEL ), o projeto de demonstração de vento-para-hidrogênio (Wind2H2) do NREL conecta turbinas eólicas e painéis fotovoltaicos (PV) a pilhas de eletrólise, que passam a eletricidade gerada pela água para dividi-la em hidrogênio e oxigênio. O projeto está atualmente ativo no National Wind Technology Center perto de Boulder, Colorado. O objetivo principal do projeto é melhorar a eficiência do sistema de produção de hidrogênio a partir de recursos renováveis em quantidades suficientemente grandes e a custos baixos o suficiente para competir com fontes de energia tradicionais como carvão, petróleo e gás natural.

Outra forma de produzir hidrogênio limpo é usando a luz solar para dividir diretamente a água em hidrogênio e oxigênio. A indústria fotovoltaica já desenvolveu tecnologias sofisticadas de células multijunção para sistemas fotoeletroquímicos (PEC) que geram tensão suficiente para dividir a água e são estáveis em ambiente de água/eletrolito. O NREL possui seu próprio sistema PEC que desenvolveu.

O sistema do NREL pode gerar hidrogênio a partir da luz solar sem o custo e a complexidade dos eletrólitos, alcançando uma eficiência de conversão solar-para-hidrogênio de 12,4 % (valor calorífico inferior) usando luz capturada. Pesquisas adicionais no NREL focam no desenvolvimento de materiais e sistemas mais eficientes, de menor custo e que sejam duráveis e resistentes à corrosão em ambientes aquosos.

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Hidrogênio Biológico 

Outro caminho empolgante que o NREL tem explorado envolve o “Hidrogênio Biológico”. Cientistas do NREL estão desenvolvendo tecnologias de pré-tratamento para converter biomassa lignocelulósica em matérias-primas ricas em açúcares que podem ser fermentadas diretamente para produzir hidrogênio, etanol e produtos químicos de alto valor.

Além disso, esforços também estão em andamento para identificar um consórcio de Clostridium que possa fermentar diretamente a hemicelulose em hidrogênio.

Outras áreas de pesquisa no domínio do Hidrogênio Biológico envolvem o seguinte:

• Prospeção biológica de microrganismos celulolíticos eficientes, como Clostridium thermocellum, que podem fermentar celulose cristalina diretamente em hidrogênio para reduzir os custos da matéria-prima.
• Identificação de uma bactéria celulolítica modelo.
• Explorando o potencial da bactéria celulolítica modelo para manipulações genéticas, incluindo sensibilidade a antibióticos e facilidade de transformação genética.
• Desenvolvendo estratégias para gerar mutantes que sejam bloqueados seletivamente de produzir ácidos e solventes residuais, a fim de maximizar o rendimento de hidrogênio.

Enquanto organizações, institutos de pesquisa e laboratórios estão ativos em todo o mundo, empresas privadas também estão ativas. 

1. Linde 

Uma das empresas que está na vanguarda da produção de hidrogênio limpo há anos é a Linde. A empresa afirma que suastecnologias inovadoras, incluindo a compressão eficiente e o reabastecimento seguro de hidrogênio, combinadas com décadas de experiência, tornam sua infraestrutura incomparável. 

As operações da empresa, que visam a produção de hidrogênio limpo, envolvem vários métodos e estratégias. A eletrólise para produção de hidrogênio verde, por exemplo, utiliza eletrólitos alimentados com energia renovável.

Na eletrólise, a água é dividida em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade gerada inteiramente a partir de fontes de energia renovável. Esse processo ocorre dentro de unidades chamadas eletrólitos. Embora os eletrólitos variem em tamanho, capacidade e tecnologia, a química fundamental permanece a mesma.

Atualmente, existem duas principais tecnologias de eletrólise: alkaline and PEM (Proton Exchange Membrane)—ambas, segundo a Linde, podem produzir hidrogênio de alta pureza no local e sob demanda.

 A eletrólise alcalina usa dois eletrodos separados por uma membrana porosa e uma solução alcalina líquida como eletrólito. A solução eletrolítica permite que íons hidróxido sejam transportados entre os eletrodos para formar oxigênio e hidrogênio, mas não são consumidos durante a reação. A tecnologia pode ser confiável e ainda assim econômica.

Por outro lado, a eletrólise PEM usa água pura e um eletrólito de polímero sólido em vez de uma solução líquida para permitir que a eletricidade divida a água em hidrogênio e oxigênio. Prótons de hidrogênio atravessam a membrana, combinando-se com elétrons para formar gás H2 no lado do cátodo.

A Linde também oferece tecnologias eficazes de Captura, Utilização e Armazenamento de Carbono (CCUS) para uma variedade de estratégias. Possui soluções inovadoras para injetar hidrogênio em gasodutos de gás natural existentes, atendendo a uma ampla variedade de aplicações finais. 

A Linde opera instalações avançadas de armazenamento de hidrogênio, que é armazenado em cavernas de sal subterrâneas. Além de ser um parceiro experiente no desenvolvimento de parques energéticos, a Linde opera a primeira caverna comercial de hidrogênio de alta pureza há mais de uma década. Também possui décadas de experiência na construção de sistemas de liquefação de hidrogênio para produzir hidrogênio líquido, facilitando o armazenamento e o transporte. 

De acordo com os dados financeiros mais recentes disponíveis, a Linde registrou vendas no valor de US$8.356 bilhões para o trimestre encerrado em 30 de setembro de 2024. 

2. Air Products

Outra empresa que contribui significativamente para o setor de produção de hidrogênio limpo é a Air Products. A empresa acredita que a produção de hidrogênio limpo a partir de fontes de energia renováveis será essencial para descarbonizar processos industriais difíceis de eletrificar, como a siderurgia e o processamento químico.

A empresa já comprometeu US$15 bilhões em projetos que avançarão a produção de hidrogênio de baixo carbono e acelerarão a transição energética. 

As aplicações de hidrogênio limpo da empresa incluem abastecimento de hidrogênio para automóveis, ônibus, empilhadeiras, navios, trens e caminhões. O transporte rodoviário responde por quase 12 % das emissões globais. Converter ônibus a diesel para ônibus de célula de combustível de hidrogênio zero emissões pode reduzir as emissões globais de gases de efeito estufa e melhorar a qualidade do ar. A Air Products é líder no abastecimento de ônibus a hidrogênio e está envolvida em projetos ao redor do mundo. 

A NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), uma joint venture de produção igualitária da ACWA Power, Air Products e NEOM, está construindo a maior instalação de produção de amônia baseada em hidrogênio verde do mundo, operando com energia renovável. Esta planta produzirá até 600 toneladas por dia de hidrogênio livre de carbono na forma de amônia verde como solução econômica para os setores de transporte e industrial globalmente.

O novo complexo de energia de hidrogênio net-zero da Air Products está programado para tornar Edmonton, Alberta, o centro da economia de hidrogênio do oeste do Canadá. Enquanto a construção avança em Edmonton na nova instalação transformadora de hidrogênio da Air Products, conectar essa instalação à rede de gasodutos existente da empresa ajudará seus clientes de refino e petroquímica a reduzir a intensidade de carbono de seus produtos energéticos e melhorar seu desempenho de sustentabilidade. Além disso, a instalação de liquefação de classe mundial ajudará a acelerar o uso do hidrogênio como combustível de transporte livre de emissões em todo o oeste do Canadá. 

O Complexo de Energia Limpa da Air Products na Louisiana produzirá hidrogênio de baixo carbono para alimentar mercados de mobilidade e industriais na região da Costa do Golfo e além. Estima-se que a instalação capture e sequestre 95 % de suas emissões de dióxido de carbono (mais de 5 milhões de toneladas por ano), sequestrando permanentemente o CO₂ em espaços porosos geológicos ideais na Louisiana. 

Este projeto é o maior investimento dos EUA pela Air Products, construído com a intenção de ajudar o estado da Louisiana a reduzir suas emissões de gases de efeito estufa para zero líquido até 2050. 

A Air Products também planeja investir aproximadamente US$ 500 milhões para construir, possuir e operar uma instalação de 35 toneladas métricas por dia para produzir hidrogênio líquido verde em um local de campo verde em Massena, Nova York, além de estabelecer operações de distribuição e dispensação de hidrogênio líquido. O projeto resultará na evitação de 6 milhões de toneladas de CO₂ ao longo da vida útil do projeto. O projeto usará energia hidrelétrica do rio São Lourenço para alimentar a produção de hidrogênio líquido livre de carbono.

Para o ano fiscal encerrado em 30 de setembro de 2024, a empresa registrou uma cifra de vendas superior a US$12 bilhões. 

Rumo ao Futuro com Hidrogênio Limpo

Há incentivo suficiente para que empresas e organizações de pesquisa continuem desenvolvendo novas formas de produção de hidrogênio confiável e de baixo custo. O Departamento de Energia dos EUA, por exemplo, selecionou até sete vencedores em 2023 para seu financiamento coletivo de US$ 7 bilhões alocado pela Lei de Infraestrutura Bipartidária para colocar uma série de “hubs de hidrogênio” em operação. Para se qualificar, cada hub precisava demonstrar convincentemente que poderia “produzir pelo menos 50–100 toneladas métricas de hidrogênio limpo por dia e reduzir as emissões de gases de efeito estufa.”

Os participantes mais ativos nomeados nos hubs de hidrogênio escolhidos pelo DOE incluíam empresas como AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), e (TRP ). 

Tecnologias de ponta também podem estar envolvidas no avanço da produção e distribuição de hidrogênio. O NREL, por exemplo, realiza testes acelerados e ciclos de mangueiras de dispensação de hidrogênio de 700 bar no Energy Systems Integration Facility usando robótica automatizada para simular condições de campo. Aqui, os robôs imitam o esforço repetitivo de uma pessoa dobrando e torcendo uma mangueira para dispensar hidrogênio no tanque de armazenamento a bordo de um veículo de célula de combustível. Pesquisadores analisam eficácias mecânicas, térmicas e de pressão de mangueiras de dispensação de hidrogênio novas e usadas.

O hidrogênio está em alta, e esse impulso só pode crescer a partir daqui. Segundo organizações que monitoram odesenvolvimento global de projetos de hidrogênio, 680 projetos de produção de hidrogênio em larga escala foram anunciados apenas em 2022, resultando em US$ 240 bilhões em investimentos diretos. O NREL também realiza análises regulares em nível de sistema sobre uma variedade de caminhos de produção e entrega de hidrogênio sustentável, a fim de ajudar a determinar melhorias de status resultantes de avanços tecnológicos, custo em função do volume de produção e o potencial de redução de custos.

Não há dúvida de que o investimento em hidrogênio até 2030, enquanto firmas de private equity e venture capital investiram quantias recordes em empresas de hidrogênio em diferentes estágios de desenvolvimento em 2022, oferecendo US$ 3,1 bilhões em private equity para empresas relacionadas ao hidrogênio e US$ 2,6 bilhões em investimento de capital de risco em 192 startups do setor.

Ao falar sobre a importância desse impulso, Adria Wilson, diretora da equipe de Política & Advocacy dos EUA da Breakthrough Energy, disse que recentes vitórias políticas significam que hidrogênio limpo e acessível será uma ferramenta de descarbonização que teremos à disposição na próxima década, se não antes.

No entanto, embora estejamos otimistas, é preciso lembrar que ainda há um longo caminho a percorrer. Segundo números fornecidos pelo World Resources Institute, 95 % do hidrogênio é produzido a partir de combustíveis fósseis, tipicamente por meio de um processo conhecido como reforma a vapor de metano (SMR), no qual a água é aquecida a altas temperaturas para produzir vapor que reage com gás natural, gerando hidrogênio e dióxido de carbono (CO₂). O processo continua emitindo significativamente gases de efeito estufa, liberando entre 10 e 14 kg de CO₂ equivalente por kg de hidrogênio, quantidade semelhante às emissões de carbono produzidas ao queimar um galão de gasolina.

Métodos de produção de hidrogênio limpo teriam que nos ajudar a eliminar tais métodos. A transição precisaria ser rápida, porém por meios sustentáveis.

Clique aqui para uma lista das principais ações de energia limpa com foco em sustentabilidade.