.
O hidrogênio pode ser produzido por eletrólise da água, idealmente com células solares ou energia eólica fornecendo a energia elétrica necessária. Espera-se que esse hidrogênio “verde” desempenhe um papel importante no sistema de energia do futuro. Na última década, a separação solar de água fez um progresso considerável: os melhores eletrolisadores, que extraem a tensão necessária de módulos fotovoltaicos ou energia eólica, já atingem eficiências de até 30%. Esta é a abordagem indireta.
A abordagem direta
No HZB Institute for Solar Fuels, várias equipes estão trabalhando em uma abordagem direta para a separação da água solar: eles estão desenvolvendo fotoeletrodos que convertem luz solar em energia elétrica, são estáveis em soluções aquosas e promovem cataliticamente a separação da água. Esses fotoeletrodos consistem em absorvedores de luz que são intimamente acoplados a materiais catalisadores para formar o componente ativo de uma célula fotoeletroquímica (PEC). As melhores células PEC baseadas em absorvedores de óxido metálico estáveis e de baixo custo já atingem eficiências próximas a 10%. Embora as células PEC ainda sejam menos eficientes do que os eletrolisadores acionados por PV, elas também têm vantagens importantes: nas células PEC, por exemplo, o calor da luz solar pode ser usado para acelerar ainda mais as reações. E como as densidades de corrente são dez a cem vezes menores com essa abordagem, é possível usar materiais abundantes e muito baratos como catalisadores.
Ainda não competitivo
Até agora, análises técnico-econômicas (TEA) e avaliações de energia líquida (NEA) mostraram que a abordagem PEC ainda não é competitiva para implementação em larga escala. O hidrogênio dos sistemas PEC custa hoje cerca de 10 USD/kg, cerca de 6 vezes mais do que o hidrogênio da reforma a vapor do metano fóssil (1,5 USD/kg). Além disso, estima-se que a demanda cumulativa de energia para a separação da água PEC seja 4 a 20 vezes maior do que para a produção de hidrogênio com turbinas eólicas e eletrolisadores.
A ideia: coprodução de produtos químicos valiosos
“É aqui que queríamos trazer uma nova abordagem”, diz o Dr. Fatwa Abdi, do HZB Institute for Solar Fuels. No âmbito da colaboração da rede de excelência UniSysCat entre o Prof Reinhard Schomäcker e o Prof Roel van de Krol, o grupo de Abdi investigou como o equilíbrio muda quando parte do hidrogênio produzido reage ainda mais com o ácido itacônico (IA) no mesmo reator (no local) para formar ácido metil succínico (MSA).
Tempos de retorno de energia
Eles primeiro calcularam quanta energia é necessária para produzir a célula PEC a partir de absorvedores de luz, materiais catalisadores e outros materiais, como vidro, e quanto tempo ela tem para funcionar para produzir essa energia na forma de energia química como hidrogênio ou MSA. Somente para o hidrogênio, esse ‘tempo de retorno de energia’ é de cerca de 17 anos, assumindo uma eficiência modesta de 5% de energia solar para hidrogênio. Se apenas 2% do hidrogênio produzido for usado para converter IA em MSA, o tempo de retorno de energia é reduzido pela metade, e se 30% do hidrogênio for convertido em MSA, a energia de produção pode ser recuperada após apenas 2 anos. “Isso torna o processo muito mais sustentável e competitivo”, diz Abdi. Uma razão: a energia necessária para sintetizar MSA em tal célula PEC é apenas um sétimo da necessidade de energia dos processos convencionais de produção de MSA.
Um sistema flexível
“O sistema é flexível e também pode produzir outros produtos químicos valiosos que são necessários no local”, explica Abdi. A vantagem é que os componentes fixos da unidade PEC, que respondem pela maior parte dos custos de investimento, permanecem os mesmos; apenas o catalisador de hidrogenação e a matéria-prima precisam ser trocados. “Esta abordagem oferece uma maneira de reduzir significativamente o custo de produção de hidrogênio verde e aumenta a viabilidade econômica da tecnologia PEC”, diz Abdi. “Pensamos cuidadosamente no processo, e o próximo passo é testar em laboratório como a produção simultânea de hidrogênio e MSA funciona na prática.”
.
