Pesquisadores da Universidade de Birmingham desenvolveram uma nova abordagem de baixa temperatura para a produção de hidrogênio que poderia tornar o combustível limpo mais barato e mais prático de produzir. A técnica pode ser usada tanto em grandes instalações centralizadas quanto em sistemas locais menores que utilizam calor residual de grandes operações industriais.
O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo e é amplamente considerado como uma importante fonte de energia limpa. Quando utilizado como combustível, produz apenas água e calor, e não dióxido de carbono e outros poluentes associados aos combustíveis fósseis. O hidrogênio também pode alimentar células de combustível que geram eletricidade. Apesar destas vantagens, cerca de 95% da produção de hidrogénio hoje ainda depende de combustíveis fósseis.
O novo catalisador reduz drasticamente a temperatura de produção de hidrogênio
Uma forma promissora de produzir hidrogênio é a divisão termoquímica da água, um processo no qual um catalisador divide a água em hidrogênio e oxigênio. Os sistemas termoquímicos existentes requerem temperaturas extremamente altas. A divisão da água geralmente ocorre em 700-1000 óC, enquanto a etapa de regeneração do catalisador geralmente requer uma temperatura de 1300-1500 óC antes que um novo ciclo de produção possa começar.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yulong Ding, da Escola de Engenharia Química da Universidade de Birmingham, mostrou que essas temperaturas podem ser significativamente reduzidas usando um catalisador de perovskita.
De acordo com descobertas publicadas em Jornal Internacional de Energia de Hidrogênioo novo catalisador produziu quantidades significativas de hidrogênio em temperaturas de 150-500 óC. Também pode ser regenerado a uma temperatura na faixa de 700-1000 óC, cerca de 500 óC inferior às abordagens atuais.
O professor Ding disse: “A baixa temperatura geral do processo pode permitir que o hidrogênio seja produzido perto de usinas de energia renovável, e os principais setores industriais, como aço, cimento, vidro e produtos químicos, têm grandes quantidades de calor residual que pode ser usado como matéria-prima para a produção de hidrogênio em baixa temperatura. Se o hidrogênio for usado localmente, ele superará os obstáculos de armazenamento e transporte, permitindo que o combustível de hidrogênio seja absorvido sem a necessidade de infraestrutura cara.”
Potenciais vantagens de custo em relação ao hidrogénio verde e azul
Os pesquisadores também conduziram uma análise econômica preliminar. Seus resultados mostram que a divisão da água usando o novo catalisador de perovskita pode produzir hidrogênio a um custo menor do que o hidrogênio verde (produzido a partir da água por eletrólise) e o hidrogênio azul (produzido a partir do metano com captura e armazenamento de carbono).
Os benefícios económicos têm sido particularmente fortes em áreas onde a electricidade renovável é relativamente barata, incluindo países como a Austrália.
O projeto foi implementado em cooperação com a Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim (USTB). A Universidade de Birmingham está agora a trabalhar para comercializar a tecnologia no Reino Unido e na Europa. A University of Birmingham Enterprise solicitou uma patente que cobre o uso de catalisadores BNCF para separação de água em baixa temperatura e está buscando parceiros para desenvolver ainda mais a tecnologia.
Por que a divisão termoquímica da água é importante
Embora o hidrogênio seja o elemento mais comum no universo, o hidrogênio puro é raro na Terra. Em vez disso, o hidrogênio é geralmente encontrado ligado a outros elementos, mais comumente em água e combustíveis de hidrocarbonetos, como gás natural, carvão e petróleo. A obtenção de hidrogênio requer a destruição desses compostos.
Hoje, o método de produção dominante é a reforma a vapor, que separa o hidrogênio do metano. Este processo é responsável por quase metade da produção mundial de hidrogênio. No entanto, também cria CO2limitar os seus benefícios ambientais, a menos que sejam adicionados sistemas de captura e armazenamento de carbono.
A eletrólise oferece uma alternativa mais limpa porque utiliza eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Apesar disso, continua a ser mais caro do que a produção baseada em metano e atualmente fornece apenas cerca de 4% do H global.2 demanda.
Outras novas abordagens baseiam-se em reações impulsionadas pela luz para produzir hidrogénio a partir da água. Embora promissoras, essas tecnologias fotônicas ainda estão em seus estágios iniciais e enfrentam obstáculos relacionados à eficiência, escalabilidade e custo.
Como funciona um catalisador de perovskita
As perovskitas são materiais com uma estrutura semelhante a uma treliça que podem absorver oxigênio em sua estrutura e promover a quebra de compostos que contêm oxigênio.
A equipe de Birmingham se concentrou em um grupo específico conhecido como perovskitas BNCF, que são feitas de bário, nióbio, cálcio e ferro. Esses materiais são relativamente abundantes, não requerem processos de fabricação complexos e não contêm ingredientes tóxicos.
Os pesquisadores descobriram que as BNCFs de perovskita podem absorver oxigênio em temperaturas muito mais baixas do que se pensava anteriormente. Dentre os materiais testados, a versão conhecida como BNCF100 apresentou o melhor desempenho.
O estudo descobriu que o BNCF100 pode ser regenerado a temperaturas mais baixas do que os catalisadores de divisão de água existentes, ao mesmo tempo que continua a produzir hidrogénio durante 10 ciclos de produção. A análise de raios X revelou muito pouca mudança estrutural no material durante os testes, indicando alta estabilidade.
O professor Ding disse: “Nossa pesquisa mostrou que o catalisador é capaz de produzir rendimentos significativos de hidrogênio em temperaturas relativamente baixas, e um estudo preliminar de viabilidade mostra que é econômico em comparação com as vias estabelecidas de produção de hidrogênio azul e verde.”
