Pequenas bolhas podem elevar em mais de 50% o consumo de energia elétrica para produzir hidrogênio verde

O hidrogênio verde enfrenta um problema significativo: sua produção exige grandes quantidades de eletricidade, o que eleva seu custo e dificulta a competição com outras alternativas energéticas. Por isso, qualquer avanço que permita reduzir o consumo de eletricidade dos eletrolisadores é especialmente importante para o futuro dessa tecnologia.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos, e da City University de Hong Kong, identificou uma das causas dessas perdas energéticas. E o interessante é que o problema está em algo tão pequeno quanto as bolhas que se formam durante o processo de eletrólise da água.

Os cientistas desenvolveram um modelo computacional tridimensional que permite estudar como essas bolhas afetam o funcionamento dos eletrolisadores. Os resultados mostram que, ao atingirem um determinado tamanho, podem causar aumentos superiores a 50% na tensão elétrica necessária para manter a reação, abrindo caminho para melhorias significativas no design desses equipamentos.

O problema das bolhas na produção de hidrogênio verde

Para produzir hidrogênio verde, utiliza-se eletricidade proveniente de fontes renováveis, como a solar ou a eólica, para separar a água em hidrogênio e oxigênio. Esse processo, conhecido como eletrólise, é realizado por meio de dispositivos chamados eletróliseis.

Durante seu funcionamento, os gases gerados formam pequenas bolhas na superfície dos eletrodos. Essas bolhas crescem até se soltarem e subirem através do líquido, mas, enquanto permanecem aderidas, podem dificultar o contato da água com as áreas onde ocorrem as reações químicas.

Isso faz com que parte da superfície ativa fique bloqueada e aumente a resistência à passagem da corrente. Como consequência, o eletrólisei precisa aplicar uma tensão maior para produzir a mesma quantidade de hidrogênio, elevando o consumo elétrico do processo.

Até agora, os pesquisadores tentaram resolver esse problema modificando a forma dos eletrodos, seus materiais e a circulação da água. No entanto, era complicado calcular com precisão o quanto cada bolha afetava o desempenho energético.

Uma descoberta que pode reduzir consideravelmente o consumo de eletricidade

Para resolver esse problema, os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático tridimensional que reproduz o comportamento das bolhas sobre os eletrodos. Essa ferramenta permite analisar processos microscópicos e calcular como eles influenciam as necessidades elétricas do sistema.

Os resultados permitiram identificar um tamanho crítico da bolha a partir do qual as perdas aumentam rapidamente. Quando as bolhas permanecem abaixo desse limiar, o aumento adicional de tensão pode ser mantido dentro de 3%.

No entanto, quando ultrapassam esse tamanho, as necessidades de tensão aumentam de forma exponencial. Em determinadas condições, os pesquisadores observaram que uma única bolha podia causar um aumento superior a 50% em relação à tensão necessária na ausência dela.

A chave está em fazer com que as bolhas se separem dos eletrodos antes de atingirem esse tamanho crítico. Para isso, os cientistas propõem o desenvolvimento de novas geometrias e superfícies que facilitem sua remoção, reduzindo as perdas energéticas durante a produção de hidrogênio.

Um modelo 1.000 vezes mais rápido para desenvolver eletrolisadores eficientes

Outro dos aspectos mais interessantes da pesquisa é a ferramenta de computação utilizada. Os cientistas conseguiram desenvolver um sistema que funciona como um gêmeo digital de um eletrolisador, reproduzindo seus materiais, geometria e condições de funcionamento.

Graças a este modelo, eles podem estudar o comportamento das bolhas e testar diferentes designs sem a necessidade de fabricar fisicamente cada protótipo. Além disso, conseguiram reduzir o esforço computacional em aproximadamente 1.000 vezes, mantendo a precisão dos cálculos.

O próximo passo será expandir as simulações para analisar como interagem múltiplas bolhas, como elas crescem e como se unem entre si. Eles também querem combinar essa tecnologia com ferramentas de otimização e impressão 3D para desenvolver eletrodos que facilitem a saída dos gases.

Um avanço importante para reduzir o custo do hidrogênio verde

A importância dessa descoberta está diretamente relacionada ao custo de produção. Atualmente, obter um quilo de hidrogênio por meio da eletrólise requer normalmente entre 50 e 60 kWh de eletricidade, dependendo da tecnologia utilizada.

Isso significa que, com um preço da eletricidade de 50 euros/MWh, apenas a eletricidade representa entre 2,50 e 3 euros por quilo de hidrogênio produzido. A esse valor deve-se acrescentar o investimento nos eletrolisadores, sua manutenção e os demais custos operacionais.

Portanto, melhorar a eficiência energética pode ter um impacto considerável na competitividade dessa tecnologia, especialmente em grandes instalações industriais que produzem milhares de toneladas de hidrogênio por ano.

O avanço desenvolvido pela Cornell abre um novo caminho para alcançar isso. Em vez de focar exclusivamente em novos materiais ou tecnologias de eletrólise, os pesquisadores demonstraram que otimizar a formação e a evacuação das bolhas pode ser fundamental para reduzir o consumo de eletricidade.

Uma melhoria que poderia contribuir para tornar o hidrogênio verde mais competitivo em setores como a siderurgia, a indústria química ou a produção de fertilizantes, onde substituir o hidrogênio obtido a partir de combustíveis fósseis representa um dos grandes desafios da descarbonização.

Fonte | Pubs.rsc