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Os engenheiros do MIT pretendem produzir combustível de hidrogênio totalmente verde e livre de carbono com um novo sistema de reatores semelhante a um trem, movido exclusivamente pelo sol.
Em um estudo publicado hoje em Jornal Energia Solar, os engenheiros apresentam o projeto conceitual de um sistema que pode produzir com eficiência “hidrogênio termoquímico solar”. O sistema aproveita o calor do sol para dividir diretamente a água e gerar hidrogénio – um combustível limpo que pode alimentar camiões, navios e aviões de longa distância, sem emitir, no processo, quaisquer emissões de gases com efeito de estufa.
Hoje, o hidrogénio é largamente produzido através de processos que envolvem gás natural e outros combustíveis fósseis, tornando o combustível verde, de outra forma, uma fonte de energia “cinzenta” quando considerado desde o início da sua produção até à sua utilização final. Em contraste, o hidrogénio termoquímico solar, ou STCH, oferece uma alternativa totalmente livre de emissões, uma vez que depende inteiramente da energia solar renovável para impulsionar a produção de hidrogénio. Mas até agora, os projetos existentes de STCH têm eficiência limitada: apenas cerca de 7% da luz solar que entra é usada para produzir hidrogênio. Os resultados até agora têm sido de baixo rendimento e alto custo.
Num grande passo rumo à produção de combustíveis solares, a equipa do MIT estima que o seu novo design poderá aproveitar até 40% do calor do Sol para gerar muito mais hidrogénio. O aumento da eficiência poderá reduzir o custo global do sistema, tornando o STCH uma opção potencialmente escalável e acessível para ajudar a descarbonizar a indústria dos transportes.
“Estamos pensando no hidrogênio como o combustível do futuro e é necessário gerá-lo de maneira barata e em grande escala”, diz o principal autor do estudo, Ahmed Ghoniem, professor Ronald C. Crane de Engenharia Mecânica no MIT. “Estamos tentando atingir a meta do Departamento de Energia, que é produzir hidrogênio verde até 2030, a US$ 1 por quilograma. Para melhorar a economia, temos que melhorar a eficiência e garantir que a maior parte da energia solar que coletamos seja usada. na produção de hidrogênio.”
Os coautores do estudo de Ghoniem são Aniket Patankar, primeiro autor e pós-doutorado no MIT; Harry Tuller, professor de ciência e engenharia de materiais do MIT; Xiao-Yu Wu, da Universidade de Waterloo; e Wonjae Choi, da Ewha Womans University, na Coreia do Sul.
Estações solares
Semelhante a outros projetos propostos, o sistema do MIT seria combinado com uma fonte existente de calor solar, como uma usina solar concentrada (CSP) – um conjunto circular de centenas de espelhos que coletam e refletem a luz solar para uma torre receptora central. Um sistema STCH então absorve o calor do receptor e o direciona para dividir a água e produzir hidrogênio. Este processo é muito diferente da eletrólise, que utiliza eletricidade em vez de calor para dividir a água.
No centro de um sistema STCH conceitual está uma reação termoquímica de duas etapas. Na primeira etapa, a água na forma de vapor é exposta a um metal. Isso faz com que o metal capture oxigênio do vapor, deixando o hidrogênio para trás. Essa “oxidação” do metal é semelhante à ferrugem do ferro na presença de água, mas ocorre muito mais rápido. Depois que o hidrogênio é separado, o metal oxidado (ou enferrujado) é reaquecido no vácuo, o que atua para reverter o processo de ferrugem e regenerar o metal. Com o oxigênio removido, o metal pode ser resfriado e exposto ao vapor novamente para produzir mais hidrogênio. Este processo pode ser repetido centenas de vezes.
O sistema do MIT foi projetado para otimizar esse processo. O sistema como um todo se assemelha a um trem de reatores em forma de caixa girando em uma pista circular. Na prática, esta via seria instalada em torno de uma fonte solar térmica, como uma torre CSP. Cada reator do trem abrigaria o metal que passa pelo processo redox, ou ferrugem reversível.
Cada reator passaria primeiro por uma estação quente, onde seria exposto ao calor do sol a temperaturas de até 1.500 graus Celsius. Esse calor extremo retiraria efetivamente o oxigênio do metal do reator. Esse metal estaria então num estado “reduzido” – pronto para capturar o oxigênio do vapor. Para que isso acontecesse, o reator se deslocaria para uma estação de resfriamento com temperaturas em torno de 1.000°C, onde seria exposto ao vapor para produzir hidrogênio.
Ferrugem e trilhos
Outros conceitos semelhantes de STCH encontraram um obstáculo comum: o que fazer com o calor liberado pelo reator reduzido à medida que ele é resfriado. Sem recuperar e reutilizar este calor, a eficiência do sistema é demasiado baixa para ser prática.
Um segundo desafio tem a ver com a criação de um vácuo energeticamente eficiente onde o metal possa desenferrujar. Alguns protótipos geram vácuo usando bombas mecânicas, embora as bombas consumam muita energia e sejam caras para a produção de hidrogênio em larga escala.
Para enfrentar esses desafios, o projeto do MIT incorpora diversas soluções alternativas de economia de energia. Para recuperar a maior parte do calor que de outra forma escaparia do sistema, os reatores em lados opostos da pista circular podem trocar calor através de radiação térmica; reatores quentes são resfriados enquanto reatores frios são aquecidos. Isso mantém o calor dentro do sistema. Os pesquisadores também adicionaram um segundo conjunto de reatores que circulariam ao redor do primeiro trem, movendo-se na direção oposta. Este trem externo de reatores operaria em temperaturas geralmente mais frias e seria usado para evacuar o oxigênio do trem interno mais quente, sem a necessidade de bombas mecânicas que consomem energia.
Esses reatores externos carregariam um segundo tipo de metal que também pode oxidar facilmente. À medida que circulam, os reatores externos absorveriam o oxigênio dos reatores internos, removendo efetivamente a ferrugem do metal original, sem a necessidade de usar bombas de vácuo que consomem muita energia. Ambos os trens de reatores funcionariam continuamente e gerariam fluxos separados de hidrogênio e oxigênio puros.
Os pesquisadores realizaram simulações detalhadas do projeto conceitual e descobriram que ele aumentaria significativamente a eficiência da produção de hidrogênio termoquímico solar, de 7%, como demonstraram projetos anteriores, para 40%.
“Temos que pensar em cada parcela de energia do sistema e em como utilizá-la para minimizar o custo”, diz Ghoniem. “E com este projeto, descobrimos que tudo pode ser alimentado pelo calor proveniente do sol. É capaz de usar 40% do calor do sol para produzir hidrogênio.”
No próximo ano, a equipe construirá um protótipo do sistema que pretende testar em instalações de energia solar concentrada em laboratórios do Departamento de Energia, que atualmente financia o projeto.
“Quando totalmente implementado, este sistema ficaria alojado num pequeno edifício no meio de um campo solar”, explica Patankar. “Dentro do edifício, pode haver um ou mais trens, cada um com cerca de 50 reatores. E achamos que este poderia ser um sistema modular, onde você pode adicionar reatores a uma correia transportadora, para aumentar a produção de hidrogênio”.
Este trabalho foi apoiado pelos Centros de Pesquisa e Educação em Engenharia Mecânica do MIT e SUSTech.
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