Pesquisadores projetam um reator de membrana cerâmica para produção de hidrogênio

Pesquisadores da CoorsTek Membrane Sciences, da Universidade de Oslo, e do Instituto de Tecnológica Química em Valência, Espanha, colaboraram para desenvolver a tecnologia de reator de membrana cerâmica para melhorar a produção de hidrogênio. Com essa tecnologia, os pesquisadores criaram com sucesso um método para obter produção de hidrogênio e captura de CO2 em uma única etapa. Isso torna o método muito mais eficiente em termos de energia.

"Os métodos atualmente estabelecidos têm classificações de eficiência energética entre 70% e 75%, mas nossa abordagem tem uma eficiência potencial de 90%", explicou Harald Malerød-Fjeld da CoorsTek Membrane Sciences em Oslo. "O produto final é hidrogênio comprimido com alto grau de pureza. O reator de membrana cerâmica também separa o dióxido de carbono com mais eficiência, permitindo que o gás de efeito estufa seja facilmente transportado e sequestrado."

Cinco anos atrás, a equipe de pesquisadores conseguiu demonstrar os princípios fundamentais por trás da produção de hidrogênio usando uma abordagem nova e altamente eficiente em termos energéticos. Um artigo recente na Science confirmou que o método funciona, e a equipe agora está trabalhando para ampliar a tecnologia.

"Este é um passo importante no caminho para tornar o hidrogênio muito mais prático como combustível", comentou Malerød-Fjeld. "O processo também tem uma pegada de carbono baixa."

A CoorsTek Membrane Sciences é especializada na fabricação de materiais cerâmicos para conversão de energia e, juntamente com a SINTEF, é uma das parceiras de pesquisa neste projeto.

A pesquisa está sendo conduzida nas instalações e laboratórios da SINTEF em Oslo, que estão localizados nas instalações da CoorsTek Membrane Sciences. O cientista sênior de pesquisa Thijs Peters, da SINTEF, é um dos coautores do artigo da Science sobre o novo projeto.

"O que é interessante sobre essa tecnologia é que ela tem relevância tanto a curto quanto a longo prazo", acrescentou Peters. "Ele pode ser usado não apenas para a produção de hidrogênio azul a partir do gás natural, mas também de hidrogênio verde a partir do biogás ou amônia como parte de um 'futuro mais sustentável'."

A tecnologia usada para produzir hidrogênio a partir do gás natural é chamada de reforma a vapor. O gás natural consiste em grande parte de metano e quando este reage com o vapor, quatro moléculas de hidrogênio são obtidas para cada molécula de metano. Para que essa reação seja bem-sucedida, o vapor deve ser fornecido em altas temperaturas.

Um grande problema associado à reforma a vapor é que o processo demanda muita energia e ocorre em vários estágios. Também tem CO2 como subproduto. A nova tecnologia, por outro lado, não requer calor externo para conduzir o processo de reforma a vapor. Uma chave para o novo processo é que o calor é produzido automaticamente quando o hidrogênio está sendo bombeado através da membrana de cerâmica. Neste método, o calor é gerado exatamente onde é necessário.

O menor bloco de construção usado no novo método é uma célula de combustível eletroquímica que consiste em um cilindro de cerâmica de seis centímetros de comprimento. O reator de membrana ampliado, descrito no artigo da Science, mede 4 cm por 40 cm. É composto por 36 dessas células que são conectadas para formar um circuito elétrico contínuo.

O material que liga as células consiste em uma vitrocerâmica que, como o nome sugere, é um compósito de vidro e materiais cerâmicos, como a porcelana. Este material é então misturado com um pó de metal eletricamente condutor.

De acordo com a CoorsTek Membrane Sciences, o desenvolvimento desse material foi fundamental para possibilitar o processo de aumento de escala. A membrana do reator é então colocada em um tubo de aço que mantém os gases sob alta pressão.

O segredo da nova tecnologia está no material, chamado de cerâmica condutora de prótons, que compõe a membrana que retira o hidrogênio da mistura gasosa.

Ao encontrar o metano (CH4), as moléculas de hidrogênio são divididas e a membrana quebra os átomos individuais em seus prótons e elétrons constituintes. Os prótons carregados positivamente permeiam a membrana, enquanto os elétrons são capturados nos eletrodos e transportados ao redor da membrana por meio de um circuito elétrico externo. Quando os prótons e elétrons são reunidos do outro lado da membrana, o produto é hidrogênio puro e comprimido.