Hidrogénio verde a partir da água do mar
Eletrólise com água do mar não tratada: o Fraunhofer testa materiais e membranas
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A água do mar e a água salobra poderiam servir como fontes alternativas de água para a produção de hidrogénio. O desafio reside no facto de os eletrolisadores convencionais exigirem água de elevada pureza, o que requer um tratamento extensivo. No projeto SeaEly, o Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Eólica (IWES) e o Instituto Fraunhofer para Tecnologia de Fabrico e Materiais Avançados (IFAM) investigaram em que medida a água do mar e a água salobra são adequadas para a produção de hidrogénio e que infraestruturas de ensaio e avaliação são necessárias.
A utilização direta de água do mar ou de água salobra é particularmente promissora para aplicações costeiras e offshore. A conversão direta da eletricidade proveniente de turbinas eólicas em hidrogénio cria um vetor energético armazenável e transportável que pode, posteriormente, ser utilizado como matéria-prima química, para o abastecimento energético ou para a produção de amoníaco e combustíveis sintéticos. Coordenado pelo Fraunhofer IWES, o projeto de investigação conjunto SeaEly investigou a eletrólise direta da água do mar e da água salobra para produzir hidrogénio e oxigénio, entre outubro de 2022 e março de 2026, no âmbito do concurso de ideias «República do Hidrogénio da Alemanha». Para além do Fraunhofer IWES e do Fraunhofer IFAM, entre os participantes contaram-se a Technische Universität Berlin, a Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG e o Instituto de Economia Marítima e Logística. O projeto foi financiado pelo Ministério Federal da Investigação, Tecnologia e Espaço da Alemanha (BMFTR).
Menos processamento, custos mais baixos?
«A ideia era determinar o grau de pureza que a água do mar precisa de ter para poder ser utilizada diretamente na eletrólise sem sobrecarregar o equipamento», afirma Nadine Menzel, chefe do grupo de Eletroquímica e Análise do Laboratório de Hidrogénio do Fraunhofer IWES em Leuna. O SeaEly foi concebido para determinar em que medida a água do mar poderia substituir a água potável e a água de processo na eletrólise. «No Fraunhofer IFAM, desenvolvemos novas membranas para a eletrólise de água do mar não tratada e testámo-las numa bancada de ensaios eletroquímicos modular», afirma Andreas Brinkmann, investigador no departamento de Investigação de Adesão e Interfaces do Fraunhofer IFAM.
A bancada de ensaio permite que os materiais sejam expostos a uma variedade de condições de funcionamento e, posteriormente, analisados em pormenor. Isto permite identificar depósitos, alterações superficiais, corrosão e processos de envelhecimento. A combinação do desenvolvimento de materiais com os ensaios proporciona, assim, uma base sólida para avaliar sistematicamente a resistência dos componentes a diferentes tipos de tensão.
O que acontece durante a eletrólise
Na eletrólise da água, uma corrente elétrica decompõe a água em hidrogénio e oxigénio. A membrana desempenha um papel fundamental neste processo: separa as duas câmaras de reação, permitindo simultaneamente o transporte de iões necessário para a reação eletroquímica. Em termos simples, funciona como um crivo extremamente fino, permitindo a passagem de determinados iões e mantendo os gases resultantes o mais separados possível.
Isto torna-se particularmente desafiante quando se utiliza água do mar. Os cloretos e outros constituintes podem desencadear reações secundárias, acumular-se nas superfícies ou causar corrosão e envelhecimento. Brinkmann: «Quanto mais impurezas o nosso eletrólito contiver, mais premente se torna a questão: quanto tempo durará cada um dos nossos componentes?»
O Fraunhofer IFAM pode investigar esta questão utilizando vários eletrólitos e configurações de células. Para além das medições eletroquímicas, a microscopia eletrónica de varrimento, o EDX, o XPS e o TOF-SIMS fornecem análises detalhadas dos materiais após os ensaios. «Isto permite-nos avaliar a taxa de desgaste», afirma Brinkmann.
«Ao mesmo tempo, o Fraunhofer IWES desenvolveu um banco de ensaios maior e multifuncional», explica Menzel. «Pode ser utilizado para estudar e comparar diferentes tecnologias de eletrólise e componentes recém-desenvolvidos utilizando água salobra ou salgada, incluindo eletrólise PEM, alcalina e AEM.» Os materiais promissores podem então passar de pequenas células de teste para configurações de maior dimensão. Isto permite avaliar tanto o comportamento dos materiais como as interações entre várias células e outros componentes do sistema.
Perspetivas: da viabilidade à estabilidade a longo prazo
O projeto desenvolveu bancos de ensaio e componentes para estudar a eletrólise utilizando água do mar e água salobra e realizou estudos de viabilidade iniciais. A infraestrutura resultante suporta agora ensaios sistemáticos a longo prazo centrados no envelhecimento, na corrosão, nos depósitos e nos efeitos da composição do eletrólito na vida útil dos componentes. O Fraunhofer IFAM e o Fraunhofer IWES já estão a utilizar as bancadas de ensaio para além do âmbito do projeto, por exemplo, para investigar fontes alternativas de água e avaliar a adequação dos componentes de eletrólise. As bancadas de ensaio também estão disponíveis para projetos industriais e aplicações externas.
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