Hidrogênio verde: separação de água PEC pode se tornar competitiva

A luz solar pode ser usada para produzir hidrogênio verde diretamente da água em células fotoeletroquímicas (PEC), explicam cientistas do Holmholtz Zentrum Berlin em um comunicado à imprensa.

Até agora, os sistemas baseados nesta "abordagem direta" não têm sido energeticamente competitivos. No entanto, o equilíbrio muda assim que parte do hidrogênio nessas células PEC é usado em seu lugar natural para uma reação de hidrogenação catalítica, resultando na coprodução de produtos químicos usados ​​nas indústrias química e farmacêutica. O tempo de retorno de energia da produção de hidrogênio "verde" fotoeletroquímico pode ser reduzido drasticamente, mostra o estudo.

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.

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.

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Até agora, as análises 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 separação de água PEC seja 4 a 20 vezes maior do que para produção de hidrogênio com turbinas eólicas e eletrolisadores.

"É aqui que queríamos trazer uma nova abordagem", diz o Dr. Fatwa Abdi, do HZB Institute for Solar Fuels. O grupo de Abdi investigou como o equilíbrio muda quando parte do hidrogênio produzido reage ainda mais com ácido itacônico (IA) no mesmo reator para formar ácido metil succínico (MSA).

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 o Dr. 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.