Electrolisador

Em princípio, a eletrólise pode parecer uma experiência de laboratório, própria de uma escola de ensino médio, com copos de precipitação (Becker), fios e duas baterias, mas, na verdade, não estamos longe disso. Porém, o impacto desse processo que permite decompor moléculas usando eletricidade, nesse caso as moléculas da água, é essencial para a obtenção de hidrogênio verde.

A geração do hidrogênio

O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo e, por isso, pode se converter no combustível perfeito. Contudo, essa não é a única razão: o hidrogênio ao ser queimado não produz dióxido de carbono, produz vapor de água. Dessa forma, seu uso permitiria reduzir drasticamente as emissões responsáveis pelo efeito estufa e pelo aquecimento global.

A dificuldade reside no fato de que para obter hidrogênio é necessária energia elétrica, e se esta provém de combustíveis fósseis seriam geradas por emissões. Por outro lado, a produção do conhecido como hidrogênio verde baseia-se no uso de energias renováveis para alimentar o processo de eletrólise, através do qual se obtém hidrogênio a partir da água. A máquina responsável por esse processo denomina-se eletrolisador.

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O que é um eletrolisador e como funciona a eletrólise

Um eletrolisador é um dispositivo capaz de quebrar as moléculas da água em átomos de oxigênio e hidrogênio. As ligações entre os dois elementos são muito estáveis e é preciso fornecer energia elétrica para que esta divisão ocorra em um processo denominado eletrólise [PDF] Link externo, abra em uma nova aba.. Ter eletrolisadores eficientes será fundamental para a penetração do hidrogênio nas indústrias e a adoção das pilhas a combustível de hidrogênio.

Um dos maiores eletrolisadores do mundo está localizado em Fukushima (Japão), no mesmo lugar onde ocorreu o conhecido desastre nuclear, simbolizando uma mudança de paradigma na produção de energia, uma vez que é alimentado com painéis solares. Recentemente, em janeiro de 2021, o eletrolisador japonês foi superado significativamente pelo de Bécancour (Canadá), um dispositivo de membrana polimérica com uma produção de 8,2 toneladas/dia.

Como funciona um eletrolisador

A eletrólise foi descoberta pela primeira vez em 1800. Após a invenção da pilha elétrica por Alessandro Volta nesse mesmo ano, outros químicos tentaram conectar seus polos em um recipiente com água. Dessa forma, descobriram que a corrente fluía pela água e que nos elétrodos o hidrogênio e o oxigênio apareciam separados.

Um eletrolisador consiste em um empilhamento de elétrodos condutores separados por uma membrana aos quais se aplica uma voltagem e uma intensidade elevadas. Isso provoca uma corrente elétrica na água que faz com que seus componentes se decomponham: hidrogênio e oxigênio. O sistema completo também inclui bombas, eletrônica de potência, separador de gases e outros componentes auxiliares, como os tanques de armazenamento.

O oxigênio gerado em paralelo é liberado na atmosfera ou pode ser armazenado para ser usado posteriormente como gás medicinal ou industrial em alguns casos. O hidrogênio, por sua vez, é armazenado como gás comprimido ou liquefeito para ser usado na indústria ou em pilhas a combustível de hidrogênio, podendo alimentar com eletricidade meios de transporte, tais como trens, embarcações e inclusive aviões.

Tipos de eletrolisadores

Atualmente existem diferentes tipos de eletrolisadores, dependendo de seu tamanho e função. Os mais usados são:

Eletrolisador alcalino

Utilizam uma solução eletrolítica líquida, como hidróxido de potássio ou hidróxido de sódio e água. O hidrogênio é produzido em uma célula constituída por um ânodo, um cátodo e uma membrana. As células costumam ser montadas em série para produzir mais hidrogênio e oxigênio ao mesmo tempo. Quando a corrente é aplicada na pilha eletrolítica, os íons hidróxidos se movem através do eletrólito do cátodo para o ânodo de cada célula, gerando bolhas de gás hidrogênio no lado do cátodo do eletrolisador e gás oxigênio no ânodo. São utilizados há mais de 100 anos e não exigem metais nobres como catalisador; no entanto, são equipamentos volumosos que obtêm hidrogênio de pureza média não sendo muito flexíveis em sua operação.

Eletrolisador com membrana de troca de prótons (PEM)

Os eletrolisadores PEM utilizam uma membrana de troca de prótons e um eletrólito polimérico sólido. Quando a corrente é aplicada na pilha, a água se divide em hidrogênio e oxigênio e os prótons do hidrogênio passam através da membrana para formar gás hidrogênio no lado do cátodo. São os mais populares porque produzem hidrogênio com alto grau de pureza e são fáceis de refrigerar. São os mais adequados para se acoplarem à variabilidade das energias renováveis, são compactos e obtêm um hidrogênio com alto grau de pureza. Pelo contrário, são um pouco mais caros, pois utilizam metais preciosos como catalisadores.

Eletrolisador de óxido sólido (SOEC)

Os SOEC funcionam em temperaturas mais elevadas (entre 500 e 850 ºC) e têm o potencial de ser muito mais eficientes que os PEM e os alcalinos. O processo se denomina eletrólise de alta temperatura (HTE) ou eletrólise do vapor de água e utiliza um material cerâmico sólido como eletrólito. Os elétrons do circuito externo são combinados com a água no cátodo para formar o gás hidrogênio e íons de carga negativa. O oxigênio então passa através da membrana cerâmica deslizante e reage no ânodo para formar gás oxigênio e gerar elétrons para o circuito externo. Tecnologicamente estão menos desenvolvidos que os anteriores.

Existem outros tipos de eletrolisadores que ainda não são tão eficientes ou rentáveis como os anteriores, mas têm muito potencial de desenvolvimento. Um exemplo seria a fotoeletrólise, que utiliza unicamente luz solar para separar as moléculas de água sem necessidade de eletricidade. No entanto, esse dispositivo precisa de semicondutores que ainda não foram suficientemente desenvolvidos.