Produção eficiente de hidrogénio e produtos químicos
Prémio Joseph von Fraunhofer de 2026 para uma pilha de eletrólise de alta temperatura inovadora
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O hidrogénio verde é considerado uma tecnologia fundamental para a descarbonização da indústria. No entanto, até ao momento, as limitações em termos de eficiência de produção, custos e escalabilidade têm impedido que esta tecnologia se imponha de forma decisiva. Mihails Kusnezoff, Stefan Megel e Sindy Mosch, do Instituto Fraunhofer de Tecnologias e Sistemas Cerâmicos (IKTS), desenvolveram uma pilha de eletrólise de alta temperatura que está a estabelecer novos padrões a nível mundial: gera hidrogénio com uma eficiência sem precedentes, pode também funcionar como célula de combustível e foi concebida para produção em série à escala industrial. Esta tecnologia valeu aos três investigadores o Prémio Joseph von Fraunhofer de 2026.
A eletrólise de alta temperatura é um processo altamente eficiente para a produção de hidrogénio que envolve a separação do vapor de água em hidrogénio e oxigénio numa célula de eletrólise. A principal vantagem: as temperaturas elevadas permitem que o calor residual industrial seja utilizado como fonte direta de energia para a reação. Isto reduz o consumo de eletricidade dispendiosa, acelera as reações eletroquímicas e melhora significativamente a eficiência global.
Uma nova abordagem científica e metodológica do Fraunhofer IKTS
Os investigadores do Fraunhofer IKTS dedicaram mais de duas décadas a perseguir um objetivo extremamente ambicioso: tornar as células de combustível e os eletrolisadores de alta temperatura tão potentes, robustos e económicos que não só apoiem a transição energética, mas possam acelerá-la significativamente. «O nosso objetivo, desde o início, foi construir uma ponte entre eletrões e moléculas», afirma Mihails Kusnezoff, chefe do Departamento de Materiais e Componentes e diretor de Energia do Fraunhofer IKTS. A abordagem da equipa do Fraunhofer IKTS difere significativamente da de muitos concorrentes: em vez de desenvolver conceitos separados para eletrolisadores e células de combustível, os investigadores criaram um sistema que pode funcionar em ambos os modos. Este foi um grande desafio, como explica Kusnezoff: «Enquanto o funcionamento das pilhas de combustível requer baixa resistência e altas tensões, a eletrólise exige estabilidade a longo prazo e um funcionamento praticamente termoneutro com gradientes de temperatura mínimos.»
Uma pilha versátil adequada para produção em massa
No laboratório, os investigadores desenvolveram novos materiais para eletrólitos e elétrodos e otimizaram microestruturas, a fim de construir células de alto desempenho. «É apenas através da combinação de várias células que obtemos o que se designa por pilha. Este é o coração do sistema e facilita a escalabilidade necessária para produzir hidrogénio em quantidades industriais», explica Sindy Mosch, investigadora e membro do grupo de trabalho «Materiais para Sistemas Impressos» no Fraunhofer IKTS. O avanço técnico foi, em última análise, alcançado através de uma combinação de inovação de materiais, otimização do design e um foco consistente na industrialização. «Tivemos de aprender a pensar nos efeitos eletroquímicos, térmicos e mecânicos como um sistema integrado. Só através da coordenação precisa da microestrutura, do comportamento de sinterização e das camadas protetoras é que conseguimos desenvolver uma célula capaz de funcionar de forma fiável durante anos, tanto nas condições exigentes da eletrólise como no modo de célula de combustível», afirma Sindy Mosch.
A pilha do Fraunhofer IKTS funciona de forma fiável dentro de um intervalo de temperatura alargado de 750 °C a 850 °C — um fator que desempenha um papel crítico na vida útil de um eletrolisador. Dentro desta gama de temperaturas, é possível não só converter vapor de água e CO₂ em gás de síntese por meio de eletrólise, mas também utilizar uma variedade de combustíveis, tais como gás natural, biogás, metanol, etanol e até amoníaco verde no modo de célula de combustível para a produção de energia.
Do laboratório à fábrica: produção-piloto em Arnstadt
Ao mesmo tempo, a equipa abordou a questão da ampliação para escala industrial, redesenhando a placa bipolar metálica para que possa ser fabricada de forma eficiente numa única operação de prensagem, além de desenvolver processos de revestimento escaláveis para elétrodos e camadas de contacto/proteção. «Para nós, uma coisa era clara: a tecnologia só pode contribuir para a transição energética se funcionar na fábrica e não apenas no laboratório», salienta Stefan Megel, Gestor do Grupo de Conversores de Energia Cerâmicos no Fraunhofer IKTS.
A maturidade industrial da tecnologia também impressionou os intervenientes do setor: a thyssenkrupp nucera identificou a pilha recém-desenvolvida como uma solução especialmente eficiente e promissora no campo da eletrólise a alta temperatura. Em apenas 14 meses, o Fraunhofer IKTS estabeleceu uma linha de produção piloto parcialmente automatizada nas suas instalações de Arnstadt, lançando assim as bases para uma futura expansão em conjunto com o seu parceiro industrial, a thyssenkrupp nucera. «A fase piloto demonstrou que as nossas pilhas combinam excelência científica com uma produção escalável e económica até ao nível dos gigawatts», afirma Stefan Megel.
Tecnologia-chave para a descarbonização industrial
O desenvolvimento de pilhas no Fraunhofer IKTS não só estabeleceu novos padrões de eficiência e versatilidade tecnológica, como também está a abrir caminho para a utilização industrial de eletricidade e calor residual na produção altamente eficiente de hidrogénio e gás de síntese. A equipa do Fraunhofer IKTS está, assim, a contribuir diretamente para a transição energética global, reforçando simultaneamente a competitividade da Alemanha como localização industrial.
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