Investigadores de Stanford desenvolvem um método melhorado para a produção de hidrogénio sustentável
Este método aumenta a eficiência energética em dez vezes, em comparação com os métodos convencionais de aquecimento externo
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A produção de hidrogénio é essencial para algumas das maiores necessidades industriais e agrícolas do mundo, mas acarreta também um elevado custo ambiental: a maior parte do hidrogénio produzido atualmente é gerado através de processos que libertam grandes quantidades de CO₂. Isto deve-se a uma combinação de elevados requisitos de calor e de emissões diretas resultantes do processo. Agora, investigadores de Stanford desenvolveram uma nova forma altamente eficiente de produzir hidrogénio que reduz drasticamente as emissões de CO₂ e gera um subproduto inesperado e potencialmente valioso.
O método, descrito num novo estudo publicado na revista *Science*, utiliza um processo denominado pirólise do metano, que decompõe o metano em hidrogénio gasoso e carbono sólido, em vez do CO₂ gasoso libertado pela produção convencional de hidrogénio.
«Atualmente, partimos do gás natural para produzir hidrogénio, mas, ao fazê-lo, também se produz CO₂», afirmou o coautor principal Henry Moise, investigador do Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Engenharia de Stanford. «A pirólise é um processo semelhante, mas, em vez de produzir CO₂, produz-se carbono sólido.»
Desafios de escalabilidade
A pirólise do metano tem vindo a ser estudada há anos, mas os investigadores têm enfrentado dificuldades em levá-la para além do laboratório devido a dois grandes obstáculos: a remoção do carbono sólido do reator e a obtenção de calor suficiente no reator para levar a cabo o processo. O novo artigo, cujos coautores principais são Moise e o estudante visitante alemão Sebastian Moll, centra-se na resolução deste último desafio.
«Se se quiser realizar a pirólise à escala necessária para satisfazer os mercados de hidrogénio, é preciso criar reatores muito grandes», afirmou o autor sénior Matteo Cargnello, professor associado de engenharia química na Stanford Engineering. «Para aquecer estes reatores a temperaturas muito elevadas, como 1 000 graus Celsius, os métodos de aquecimento têm de ser muito eficientes.»
Os reatores industriais atuais são aquecidos a partir do exterior, o que se torna um problema em grande escala. «Pode imaginar que, ao aquecer algo realmente grande a partir do exterior, é difícil que o calor penetre até ao centro do reator», explicou Cargnello.
Para resolver o problema, Moise e os seus colegas desenvolveram uma forma de aquecer o reator a partir do interior. Em vez de queimar gás natural, que produz CO₂, a equipa descobriu que colocar um queimador no interior do reator para queimar seletivamente uma parte do hidrogénio produz principalmente água, evitando emissões diretas de carbono e, ao mesmo tempo, impulsionando a reação de forma eficiente.
O resultado, segundo Moise, é um aumento de eficiência de cerca de dez vezes. Por outras palavras, utilizando a mesma quantidade de energia, um reator que recorra a este novo método de aquecimento autotérmico produz a mesma quantidade de material que 10 outros reatores que utilizem métodos convencionais de aquecimento externo.
«Tudo se resume a esta ideia de eficiência. É possível reduzir as emissões de CO₂ evitando, desde o início, que estas sejam produzidas, mas também é possível reduzi-las ao utilizar a energia de forma mais eficiente», afirmou Moise. «Portanto, existem várias formas de tornar um processo mais sustentável.»
Benefícios inesperados
Para além dos ganhos em eficiência, os investigadores descobriram um benefício inesperado no novo processo: o carbono sólido produzido pela reação revelou-se grafite de alta qualidade, um material utilizado em baterias, elétrodos e outras tecnologias.
«Não é que não esperássemos um carbono de qualidade superior, mas o grau de grafitização e a qualidade do carbono foram realmente muito elevados», afirmou Moise, referindo-se a isso como a maior surpresa do projeto.
Cargnello sublinhou que a qualidade inesperada do subproduto de carbono poderia abrir caminho para a produção nacional de um material que os EUA atualmente importam do estrangeiro. Ao mesmo tempo, alertou que a grafite produzida ainda não é suficientemente pura para aplicações exigentes, como materiais para baterias. «Este é um grande passo em frente», afirmou, «mas ainda há outros passos a dar e mais investigação a realizar.»
Uma molécula fundamental
Os investigadores sublinharam a importância de desenvolver processos sustentáveis para a produção de hidrogénio, uma molécula fundamental da qual a maioria das pessoas nem se apercebe que depende. «Pelo menos alguns pontos percentuais do PIB dependem do hidrogénio, e vamos continuar a produzi-lo, seja ele poluente ou não», acrescentou Moise.
Ele apontou os fertilizantes como um exemplo: a produção de amoníaco depende do hidrogénio, e estima-se que os fertilizantes à base de amoníaco ajudem a alimentar cerca de metade da população mundial. O hidrogénio também ajuda a remover o enxofre da gasolina durante o refino e contribui para a produção de produtos importantes como o metanol. «É tão omnipresente que acaba por se tornar invisível», afirmou.
Os investigadores esperam que o novo processo abra caminho para uma produção de hidrogénio barata e limpa e traga sustentabilidade a um produto que está na base de muitos produtos importantes utilizados na vida quotidiana.
Cargnello salientou que o projeto foi um esforço colaborativo, destacando as contribuições da equipa de Eric McFarland, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, que forneceu dados sobre reatores de maior escala; do coautor Arun Majumdar, por incentivar a equipa a aprofundar o problema; e de Moll, que passou seis meses no laboratório a trabalhar ao lado de Moise. Além disso, as múltiplas fontes de financiamento foram fundamentais para o sucesso do projeto, incluindo a Fundação Kavli, o Carbon Hub da Universidade de Rice, a Iniciativa do Gás Natural de Stanford e o Centro de Investigação de CO₂ da Universidade de Aarhus, na Dinamarca.
A necessidade de colaboração — e de financiamento — continua, acrescentou Cargnello, uma vez que os próximos passos serão de grande envergadura, incluindo a ampliação da investigação e a verificação da sua aplicação na produção de hidrogénio em grande escala.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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