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Uma antena parabólica no campus da EPFL é facilmente esquecida, lembrando uma antena parabólica ou outra infraestrutura de telecomunicações. Mas esse prato é especial, pois funciona como uma árvore artificial. Depois de concentrar a radiação solar quase 1.000 vezes, um reator acima do prato usa essa luz solar para converter a água em hidrogênio, oxigênio e calor valiosos e renováveis.
“Esta é a primeira demonstração em nível de sistema de geração solar de hidrogênio. Ao contrário das demonstrações típicas em escala de laboratório, ela inclui todos os dispositivos e componentes auxiliares, por isso nos dá uma ideia melhor da eficiência energética que você pode esperar ao considerar o sistema completo, e não apenas o próprio dispositivo”, diz Sophia Haussener, chefe do Laboratório de Ciência e Engenharia de Energias Renováveis (LRESE) da Escola de Engenharia.
“Com uma potência de saída de mais de 2 quilowatts, quebramos o teto de 1 quilowatt para nosso reator piloto, mantendo alta eficiência recorde para esta grande escala. A taxa de produção de hidrogênio alcançada neste trabalho representa um passo realmente encorajador em direção ao mercado comercial. realização desta tecnologia.”
O trabalho se baseia em pesquisas preliminares que demonstram o conceito em escala de laboratório, usando o simulador solar de alto fluxo do LRESE, publicado em Energia da Natureza em 2019. Agora, a equipe publicou os resultados de seu processo ampliado, eficiente e multiproduto em condições do mundo real no mesmo periódico.
Não desperdice, não queira
A produção de hidrogênio a partir da água usando energia solar é conhecida como fotossíntese artificial, mas o sistema LRESE é único por sua capacidade de também produzir calor e oxigênio em escala.
Depois que o prato concentra os raios solares, a água é bombeada para o seu ponto de foco, onde está alojado um reator fotoeletroquímico integrado. Dentro desse reator, células fotoeletroquímicas usam energia solar para eletrolisar ou dividir as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio. O calor também é gerado, mas em vez de ser liberado como uma perda do sistema, esse calor passa por um trocador de calor para que possa ser aproveitado – para aquecimento ambiente, por exemplo.
Além das saídas primárias de hidrogênio e calor do sistema, as moléculas de oxigênio liberadas pela reação de fotoeletrólise também são recuperadas e utilizadas.
“O oxigênio é muitas vezes percebido como um produto residual, mas, neste caso, também pode ser aproveitado – por exemplo, para aplicações médicas”, diz Haussener.
Energia industrial e residencial
O sistema é adequado para aplicações industriais, comerciais e residenciais; na verdade, a SoHHytec SA, derivada da LRESE, já está implantando e comercializando. A startup EPFL está trabalhando com uma instalação de produção de metal com sede na Suíça para construir uma planta de demonstração na escala multi-100 quilowatts que produzirá hidrogênio para processos de recozimento de metal, oxigênio para hospitais próximos e calor para água quente da fábrica precisa.
“Com a demonstração piloto na EPFL, alcançamos um marco importante ao demonstrar eficiência sem precedentes em altas densidades de potência de saída. Agora estamos ampliando um sistema em uma configuração semelhante a um jardim artificial, onde cada uma dessas ‘árvores artificiais’ é implantada em uma moda modular”, diz o cofundador e CEO da SoHHytec, Saurabh Tembhurne.
O sistema pode ser usado para fornecer aquecimento central residencial e comercial e água quente, e para alimentar células de combustível de hidrogênio. Em um nível de produção de cerca de meio quilo de hidrogênio solar por dia, o sistema do campus da EPFL poderia alimentar cerca de 1,5 veículos movidos a célula de combustível de hidrogênio dirigindo uma distância média anual; ou atender até a metade da demanda de eletricidade e mais da metade da demanda anual de calor de uma família suíça típica de quatro pessoas.
Com seu sistema de fotossíntese artificial bem encaminhado para o aumento de escala, Haussener já está explorando novos caminhos tecnológicos. Em particular, o laboratório está trabalhando em um sistema de energia solar em larga escala que dividiria o dióxido de carbono em vez da água, produzindo materiais úteis como gás de síntese para combustível líquido ou o etileno precursor de plástico verde.
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