Impulso à inovação na economia do hidrogénio: diagnóstico em tempo real para eletrolisadores e células de combustível em funcionamento
Otimizar a capacidade de carga e a eficiência, prolongar a vida útil e reduzir os custos operacionais — um salto tecnológico com grande potencial
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A utilização do hidrogénio é um componente essencial da descarbonização, mas garantir o funcionamento a longo prazo dos eletrolisadores e das células de combustível constitui um desafio. As condições de funcionamento variáveis provocam desgaste e perdas de desempenho. O Fraunhofer IFAM alcançou agora um avanço decisivo com a espectroscopia de impedância dinâmica: Este método de diagnóstico permite uma análise precisa durante o funcionamento, deteta sobrecargas em tempo real e identifica pontos fracos numa fase precoce. Isto permite a otimização direcionada da resiliência e da eficiência, prolonga a vida útil dos sistemas e reduz os custos operacionais – um salto tecnológico com enorme potencial para a economia do hidrogénio.
O envelhecimento dos materiais e a degradação do desempenho colocam desafios técnicos aos eletrolisadores e às células de combustível. Cargas operacionais variáveis, como as causadas pela alimentação flutuante de energia renovável, podem levar a uma redução significativa da vida útil e a elevados custos de manutenção. Para resolver esta questão de forma sustentável, os investigadores do Fraunhofer IFAM alcançaram avanços decisivos no sistema de diagnóstico em tempo real para a espectroscopia de impedância dinâmica.
Análise em tempo real: das medições laboratoriais às aplicações industriais apoiadas pela IA
Os métodos de medição de última geração exigem uma interrupção do funcionamento, com o tempo de inatividade correspondente, para atingir um estado estacionário — como é o caso da espectroscopia de impedância clássica. Estas medições são demoradas e dificilmente refletem as condições de funcionamento reais e flutuantes. «Com o nosso novo método de medição dinâmico, estamos, pela primeira vez, a obter dados significativos diretamente do processo em funcionamento, utilizando níveis de corrente significativamente mais elevados do que na configuração de laboratório anterior», afirma o Dr. Hermann Pleteit, gestor de projeto no Fraunhofer IFAM.
A espectroscopia de impedância dinâmica é um novo método que permite examinar o estado interno de um eletrolisador ou de uma célula de combustível em condições de estado não estacionário durante o funcionamento. Para tal, sobrepõe-se um pequeno sinal multifrequência à corrente normal de funcionamento. Simultaneamente, mede-se a forma como o sistema reage a isso — ou seja, como a corrente e a tensão variam. A relação entre estas grandezas é utilizada para calcular o que se designa por impedância complexa, que pode ser entendida como a «resistência elétrica» do sistema, dependente da frequência. «É precisamente esta natureza dependente da frequência que torna a impedância tão valiosa para as aplicações mencionadas e tão interessante para nós. Ao contrário do simples valor da resistência, proporciona uma visão abrangente dos processos que ocorrem no interior de um sistema eletroquímico. Isto porque os vários processos físicos e químicos — tais como as reações nos elétrodos, o transporte de iões através da membrana, as resistências de contacto elétrico ou a reposição das substâncias envolvidas — têm, cada um, um efeito em frequências diferentes. «Isto permite-nos distinguir estes processos uns dos outros, avaliá-los individualmente e, graças à resolução detalhada em tempo real, observar o estado dos componentes individuais, como a membrana ou os elétrodos», explica Pleteit.
A partir da evolução temporal destes espectros, é possível tirar conclusões específicas sobre o estado e o envelhecimento do sistema. Se, por exemplo, um determinado componente de resistência aumentar, isso pode indicar reações dos elétrodos deterioradas, corrosão ou contactos elétricos em deterioração. Por outro lado, alterações no comportamento de fase podem indicar desgaste da membrana, problemas com o equilíbrio hídrico ou transferência de massa restrita. Isto permite identificar as causas reais das perdas de desempenho — quer sejam devidas a materiais, interfaces, contactos ou condições de funcionamento.
Um sistema de diagnóstico em tempo real utiliza esta informação para monitorizar continuamente o estado da célula. Isto permite a deteção de alterações incipientes muito antes de estas conduzirem a perdas de desempenho percetíveis ou mesmo a uma avaria. «Em vez de reagirmos apenas depois de o sistema já ter parado, podemos prever com precisão as necessidades de manutenção e evitar tempos de inatividade dispendiosos», continuou Pleteit. A espectroscopia de impedância dinâmica permite, assim, uma avaliação precisa do estado, um diagnóstico específico de avarias e a manutenção preditiva de eletrolisadores e células de combustível.
A base para estes avanços é a ampliação da espectroscopia de impedância dinâmica da escala laboratorial para as dimensões das aplicações no mundo real, de modo que correntes de funcionamento de até 30 amperes possam agora ser sobrepostas ao sinal de medição. Isto representa um passo decisivo rumo à aplicação industrial. Através do processamento integrado de dados em linha, a evolução temporal da impedância é calculada e apresentada em tempo real. «Isto permite-nos, pela primeira vez, medir os nossos parâmetros matemáticos para sistemas de maior dimensão durante processos em curso. Em combinação com modelos baseados em IA, os resultados podem ser aplicados a condições ambientais variáveis — tais como flutuações de pressão e temperatura —, bem como a novas composições de materiais», resume Pleteit.
Integração em sistemas de controlo da instalação e benefícios práticos
A vantagem prática do sistema expandido reside na sua implementação direta nos sistemas de controlo da instalação, como o sistema de gestão de energia. Os operadores de sistemas de hidrogénio — tais como células de combustível PEM e eletrolisadores alcalinos — recebem, assim, dados de estado contínuos e precisos que refletem o estado atual de saúde da instalação. Com base nisso, é possível detetar precocemente processos críticos, como a degradação do catalisador, planear intervalos de manutenção preditiva e ajustar dinamicamente as estratégias operacionais para minimizar os processos de degradação. «Isto permite-nos reduzir significativamente os custos ao longo da vida útil e garantir a viabilidade económica dos projetos de hidrogénio verde — um componente fundamental para a competitividade da economia do hidrogénio», afirma Pleteit.
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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