direita|350px|miniatura|Esquema de eletrólise a alta temperatura. miniatura|410x410px|Descarbonização da economia por meio do hidrogênio produzido por eletrólise a alta temperatura (HTE) A eletrólise a alta temperatura (também conhecida pelas siglas em inglês HTE, de high-temperature electrolysis, HTSE ou eletrólise a vapor) é uma tecnologia para a produção de hidrogênio a partir da água em temperaturas elevadas ou de outros produtos, tais como ferro ou nanomateriais de carbono, visto que a maior energia térmica reduz a quantidade de eletricidade necessária para cindir as moléculas e abre caminho para eletrólitos novos e potencialmente superiores, como sais fundidos ou hidróxidos. Ao contrário da eletrólise conduzida à temperatura ambiente, a HTE opera em faixas de temperaturas elevadas determinadas pela capacidade térmica dos materiais empregados. Em virtude dos efeitos prejudiciais da queima de combustíveis fósseis sobre a saúde humana e o meio ambiente, a HTE tornou-se uma alternativa necessária e um método eficiente para a produção de hidrogênio em larga escala destinado ao uso como combustível. O objetivo central da HTE é impulsionar a transição para a descarbonização em todos os setores da economia. Os elementos materiais indispensáveis a esse processo são: a fonte de calor, os eletrodos, o eletrólito, a membrana eletrolítica e a fonte de energia elétrica.
Princípio O processo utiliza energia (sob a forma de calor) de fontes térmicas para converter a água em vapor, o qual é então conduzido a um sistema eletrolítico (composto por dois eletrodos conectados a uma fonte de corrente elétrica, um eletrólito e uma membrana). Em temperaturas elevadas (superiores a 650 °C na maioria das topologias), os materiais empregados na construção das células tornam-se eletricamente condutores. Consequentemente, as reações eletroquímicas têm início e a célula passa a funcionar assim que atinge a temperatura operacional e a eletricidade é fornecida, enquanto é alimentada com vapor. O vapor é então decomposto em hidrogênio (no cátodo) e oxigênio (no ânodo) de acordo com as seguintes equações químicas:
Global: Cátodo: Ânodo:
Eficiência miniatura|direita|300px|Eficiência teórica da termólise e da cisão térmica da água.Eficiência de 60% a 1.000 °CA reforma a vapor de hidrocarbonetos para hidrogênio possui eficiência de 70% a 85% A eletrólise a alta temperatura é economicamente mais eficiente do que a eletrólise da água convencional conduzida à temperatura ambiente porque parte da energia necessária é fornecida sob a forma de calor — o qual é financeiramente mais barato do que a eletricidade — e também porque a reação de eletrólise é intrinsecamente mais eficiente em temperaturas elevadas. De fato, a 2.500 °C, o fornecimento de energia elétrica torna-se desnecessário, uma vez que a água se dissocia espontaneamente em hidrogênio e oxigênio por meio de termólise. Tais temperaturas extremas, contudo, são inviáveis na prática; os sistemas de HTE propostos operam entre 100 °C e 850 °C.Hi2h2 - High temperature electrolysis using SOECFinal Report Summary – WELTEMP (Water Electrolysis at Elevated Temperatures)
Considerando que a eletricidade consumida provenha de uma máquina térmica, são necessários 141,86 megajoules (MJ) de energia térmica total para produzir um quilograma de hidrogênio, englobando o processo térmico da HTE e a geração da eletricidade demandada. A 100 °C, são exigidos 350 MJ de energia térmica (eficiência de 41%). A 850 °C, o consumo reduz-se a 225 MJ (eficiência de 64%). Acima de 850 °C, começa-se a ultrapassar os limites de resistência à corrosão dos aços convencionais enriquecidos com cromo, e o dimensionamento e a implantação industrial de um processo químico para operar em patamares térmicos tão rigorosos representam desafios de engenharia substanciais.
Materiais As células eletrolíticas de óxido sólido (SOECs, na sigla em inglês) são dispositivos eletroquímicos que operam em temperaturas elevadas e são empregados na eletrólise a alta temperatura. A composição e os constituintes dessas células asseguram que o dispositivo mantenha sua integridade física e seu desempenho eletroquímico sob faixas térmicas extremas. Portanto, a seleção criteriosa dos materiais dos eletrodos e do eletrólito em uma célula de eletrólise de óxido sólido é determinante. Uma das composições pesquisadas para esse processoKazuya Yamada, Shinichi Makino, Kiyoshi Ono, Kentaro Matsunaga, Masato Yoshino, Takashi Ogawa, Shigeo Kasai, Seiji Fujiwara, e Hiroyuki Yamauchi. "High Temperature Electrolysis for Hydrogen Production Using Solid Oxide Electrolyte Tubular Cells Assembly Unit", apresentado no Encontro Anual da AICHE, San Francisco, Califórnia, novembro de 2006. resumo. utilizou eletrólitos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ), eletrodos de vapor/hidrogênio fabricados em cermet de níquel (Ni) e eletrodos de oxigênio compostos por misturas de óxido de lantânio (La2O3), estrôncio e cobalto.
Potencial econômico Mesmo com o emprego da HTE, a eletrólise continua a ser uma forma com perdas apreciáveis de conversão para armazenamento de energia. Ocorrem perdas relevantes de conversão tanto na etapa de eletrólise quanto na posterior reconversão do hidrogênio resultante em energia elétrica ou mecânica.
Diante das cotações atuais dos combustíveis fósseis, a HTE não consegue competir economicamente com a pirólise de hidrocarbonetos ou a reforma a vapor como fonte de hidrogênio em termos estritos de custo financeiro, embora esses processos tradicionais gerem dióxido de carbono como subproduto direto.
A HTE desperta grande interesse industrial como uma rota de alta eficiência para a produção de hidrogênio verde, com vistas ao seu uso como combustível carbono neutro e como meio abrangente de armazenamento energético. Ela poderá tornar-se economicamente competitiva caso fontes térmicas não fósseis de baixo custo (energia solar concentrada, reatores nucleares, energia geotérmica e calor residual industrial) possam ser combinadas com fontes elétricas renováveis ou descarbonizadas (como energia solar fotovoltaica, eólica, maremotriz e nuclear).
As fontes potenciais de suprimento de calor de alta temperatura para a HTE são de natureza não química, englobando reatores nucleares, coletores de energia solar térmica concentrada e fontes de energia geotérmica. A HTE já foi demonstrada com sucesso em instalações laboratoriais com consumo de 108 quilojoules (elétricos) por grama de hidrogênio gerado, embora ainda não em escala comercial e industrial ampla.
Vantagens e desafios A vantagem mais notável da HTE consiste na oportunidade de produzir hidrogênio verde em larga escala com potencial de emissão zero de gases do efeito estufa. O processo proporciona uma cinética de reação consideravelmente mais rápida para a cisão da molécula de água. Uma fração expressiva da demanda de eletricidade é substituída por calor térmico, o que barateia o processo operacional, uma vez que a energia térmica é mais barata do que a eletricidade.
Contudo, a tecnologia de HTE enfrenta limitações decorrentes de: Acima de 100 °C, a eletrólise de água líquida exige pressurização contínua do sistema, ficando condicionada aos limites de pressão de projeto suportáveis com segurança pelos materiais mecânicos das instalações. Dificuldade de conceber materiais estruturais e eletrólitos que mantenham estabilidade física e química perante ambientes simultâneos de oxidação e redução intensas, combinados a temperaturas elevadas de trabalho. Preservação da integridade estrutural em regimes com baixas condutividades elétricas, elevadas temperaturas operacionais e altas concentrações iônicas agressivas.
Alternativas Existem centenas de ciclos termoquímicos mapeados para utilizar calor direto na extração de hidrogênio a partir da água, a exemplo do ciclo do enxofre-iodo. Como tais métodos eliminam integralmente a etapa de geração de eletricidade — a qual carrega perdas intrínsecas de conversão térmica —, a produção termoquímica direta pode atingir rendimentos teóricos superiores aos da HTE. Todavia, a operação termoquímica em escala comercial dependerá de avanços expressivos na engenharia de materiais capazes de suportar meios com alta temperatura, alta pressão e forte agressividade corrosiva.
Departamento de Energia dos Estados Unidos
O Gabinete de Energia Nuclear do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) conduz projetos de demonstração para testar a integração da eletrólise a alta temperatura em três usinas nucleares comerciais no país:
Central Nuclear de Nine Mile Point, em Oswego, Nova Iorque Central Nuclear de Davis–Besse, em Oak Harbor, Ohio Central Nuclear de Prairie Island, em Red Wing, Minnesota
Utilização de recursos in situ em Marte (ISRU)
A eletrólise a alta temperatura baseada em células de eletrólise de óxido sólido foi empregada para produzir 5,37 gramas de oxigênio por hora na atmosfera de Marte a partir do dióxido de carbono ambiente, por meio do experimento MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment) integrado ao rover Perseverance da missão Mars 2020 da NASA, utilizando dispositivos eletrolíticos estruturados em cerâmicas de zircônia.The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE). NASA Goddard Space Flight Center. Apresentação: "MARS 2020 Mission and Instruments". 6 de novembro de 2014.
Ver também Eletrólise a alta pressão Hidrogênio verde Economia do hidrogênio
Referências
Ligações externas U.S. DOE High-Temperature Electrolysis (em inglês).
Categoria:Eletrólise Categoria:Produção de hidrogênio