O hidrogênio verde tornou-se um foco crescente da “transição justa” da Nova Zelândia, longe do petróleo e do gás, porque pode ser criado de forma sustentável, usando energia renovável ou biomassa. Foto / 123rf
Tem sido apresentado como uma maneira ecológica de gerar eletricidade, alimentar motores e produzir fertilizantes – e agora, uma recém-lançada empresa Kiwi está levando sua tecnologia de hidrogênio verde para o mundo.
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A fonte de energia tornou-se um foco crescente da “transição justa” da Nova Zelândia para longe do petróleo e do gás porque pode ser criada de forma sustentável, usando energia renovável ou biomassa.
Embora o hidrogênio seja produzido em todo o mundo, quase todo ele é hidrogênio “marrom” – ou feito de carvão e gás natural, que é a fonte de centenas de milhões de toneladas de emissões de CO₂ a cada ano.
Mas o hidrogênio verde pode ser feito usando eletrólise de fontes de energia renováveis, deixando uma pequena pegada de carbono.
Com essa promessa, no entanto, surgem problemas: problemas na cadeia de suprimentos, custos crescentes e escassez de minerais brutos que dificultam sua acessibilidade e disponibilidade.
Esses são os desafios que a primeira start-up de tecnologia profunda de hidrogênio da Nova Zelândia – e a primeira empresa spin-out da GNS Science, de propriedade da Crown – pretendia enfrentar.
A gerente de parcerias comerciais e de negócios da GNS, Sheena Thomas, disse que, de acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), a demanda por hidrogênio verde foi projetada para quase dobrar para 180 megatoneladas (Mt) até 2030.
“No momento, quase 100 milhões de toneladas de hidrogênio são usadas todos os anos a partir de combustíveis fósseis, por isso é uma questão urgente a ser resolvida.”
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No coração da nova empresa, batizada de Bspkl e apoiado por incubadora WNT Empreendimentosfoi uma tecnologia desenvolvida localmente que permitiu a produção de eletrolisadores suficientes para atender à demanda.
“Isso abre enormes possibilidades para descarbonizar setores-chave como aviação, transporte marítimo e aço, que são extremamente difíceis de eletrificar.”
Então, como a nova tecnologia funcionou?
O diretor técnico da Bspkl, Dr. Jerome Leveneur, explicou que quase todo o hidrogênio do mundo foi produzido por meio de um processo chamado craqueamento de metano – ele próprio responsável por cerca de 2% das emissões globais de carbono.
“O hidrogênio desempenha um papel muito importante no suporte ao nosso dia-a-dia, mas precisamos encontrar uma maneira de torná-lo limpo e sustentável”, disse Leveneur, cientista de materiais de feixes de íons do GNS.
Usando a eletrólise, o hidrogênio pode ser produzido a partir da água usando eletricidade – e o processo pode ser completamente renovável quando conectado a fontes de energia como solar, eólica e geotérmica.
Poderíamos pensar nos próprios eletrolisadores como uma cebola, com muitas camadas de peças empilhadas juntas.
Uma abordagem bem estabelecida chamada eletrólise de membrana de troca de prótons (PEM) utilizou uma membrana, um ânodo e um cátodo.
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“No ânodo, as moléculas de água são divididas em íons de hidrogênio carregados positivamente e os átomos de oxigênio são recombinados em uma molécula de O₂, o oxigênio que respiramos”, disse Leveneur.
“Os íons de hidrogênio passam pela membrana e se combinam com os elétrons no cátodo, formando o gás hidrogênio.”
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Embora os eletrolisadores PEM fossem amplamente reconhecidos como a forma mais eficiente de fabricar hidrogênio sustentável, sua dependência de elementos raros e finitos continuou sendo uma grande desvantagem para o dimensionamento da tecnologia.
Para ajudar a superar esse obstáculo, a Bspkl ofereceu uma inovação inventada por Leveneur – um tipo aprimorado de componente crítico para eletrolisadores PEM chamado de membrana revestida por catalisador (CCM).
“Uma membrana é revestida em ambos os lados com uma fina camada de partículas de catalisador, normalmente platina e irídio”, explicou ele.
“As partículas do catalisador precisam ser uniformemente dispersas e ligadas à superfície da membrana de troca de prótons, o que permite reações eletroquímicas rápidas e eficientes.
“Sem um catalisador, o eletrolisador precisaria de muito mais eletricidade para produzir hidrogênio.”
E para produzir CCM para eletrolisadores, disse ele, era necessário muito material catalisador, como platina e irídio.
“Embora a platina seja cara, o problema com os eletrolisadores PEM está no irídio”, disse ele.
“O irídio não está prontamente disponível, pois é produzido como subproduto do refino de outros metais.”
A primeira empresa spin-out da GNS – Bspkl – é lançada hoje! É um passo emocionante em direção a um futuro de carbono zero, significativamente alimentado por hidrogênio verde 💚🎉 e um exemplo brilhante do impacto que o programa de hidrogênio verde da GNS está gerando. Descubra mais: https://t.co/sMNHCIeJXH
— Te Pū Ao – GNS Science (@gnsscience) 2 de abril de 2023
Globalmente, estima-se que apenas sete toneladas sejam produzidas a cada ano.
“Para produzir hidrogênio limpo suficiente para não apenas substituir nosso uso atual de hidrogênio, mas também nos preparar para os usos emergentes de hidrogênio, como em transporte e calor industrial, precisamos ser capazes de fabricar cerca de 26 gigawatts de eletrolisadores PEM por ano”, Leveneur disse.
“Para colocar isso em perspectiva, desde que os eletrolisadores foram inventados no início de 1900, globalmente, apenas cerca de oito gigawatts foram fabricados.”
Atingir essa meta de 26 gigawatts provavelmente exigiria cerca de 30 a 40 toneladas de irídio por ano.
“Com as abordagens atuais para produzir CCM, esse volume simplesmente não é sustentável.”
A tecnologia de fabricação da Bspkl produziu um CCM com as cargas de irídio mais baixas conhecidas, mantendo sua eficiência de desempenho.
“A redução nas ‘cargas’ de irídio e platina que o Bspkl consegue é por meio da implantação de íons”, disse ele.
“Em poucas palavras, isso significa que o catalisador é ‘manchado’ no material da membrana, daí o nome Bspkl – pronuncia-se ‘bespeckle’.”
Antes de 2020, a produção de hidrogênio usando eletrólise não era vista como comercialmente viável porque era muito mais barato produzir hidrogênio usando gás natural.
Mas, com o anúncio do Green Deal europeu, a Lei de Redução da Inflação nos Estados Unidos e a guerra Rússia-Ucrânia, a necessidade de hidrogênio limpo como fonte de combustível sustentável “explodiu”.
“O impacto desse rápido aumento de hidrogênio limpo para fabricantes de eletrolisadores foi significativo.”
No que antes era essencialmente uma indústria artesanal, “gigafábricas” para a fabricação de eletrolisadores agora estavam sendo construídas em todo o mundo.
“Isso significa que há uma necessidade intensa de automação e produção em larga escala que não existia há três anos”, disse Leveneur.
“Quando você combina uma necessidade intensa, uma grande oportunidade de mercado e o apoio do governo, você impulsiona a inovação.”
A própria abordagem de fabricação da Bspkl foi projetada para escala, com a capacidade de produzir grandes volumes de CCM.
“Inovações como a Bspkl são importantes para criar um novo futuro de energia limpa”, disse Thomas.
“A equipe de ciência de materiais da GNS Science, que incluía Jerome, esteve e continua envolvida em um programa plurianual para tornar a produção, armazenamento e transporte de hidrogênio verde mais baratos e eficientes.”
O lançamento da empresa segue a Halcyon Power abrindo a primeira usina de hidrogênio verde da Nova Zelândia perto de Taupō no final de 2021, com o objetivo final de completar uma cadeia de suprimentos, incluindo transporte, armazenamento no local e infraestrutura de reabastecimento.
Varredura do horizonte de 2019 Roteiro H2 Taranaki já havia previsto que o hidrogênio será cada vez mais produzido usando eletricidade para dividir a água, com a única emissão sendo o oxigênio.
O relatório constatou que o hidrogênio pode ser utilizado como combustível, principalmente para veículos pesados, como matéria-prima para produtos como ureia ou metanol, ou para armazenar energia elétrica por longos períodos de tempo, de semanas a anos.
Uma nova rede poderia incluir o armazenamento de hidrogênio ou gás natural sintético em campos de gás esgotados, disse ele, e geração de eletricidade usando hidrogênio verde nas usinas movidas a gás de Taranaki.
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