Desenvolvidas duas novas formas de produzir hidrogênio

Fonte:www.inovacaotecnologica.com.br

A técnica também poderá ser usada para produzir combustíveis líquidos.

[Imagem: Bill Wellock/FSU]

Fotossíntese que produz hidrogênio

Uma equipe das universidades da Flórida e da Carolina do Sul, nos EUA, desenvolveu uma nova técnica de fotossíntese artificial.

A diferença é que, em vez de gerar carboidratos, como nas plantas, a técnica aproveita a energia luminosa do Sol para produzir um combustível, e um combustível muito especial: o hidrogênio.

"Um dos santos graais da pesquisa em energia alternativa é usar a luz do Sol para fazer ligações químicas que mais tarde possam ser usadas como combustível," disse o professor Ken Hanson. "Mas fazer ligações de alta energia é um trabalho árduo e difícil de fazer com um pacote de energia luminosa, ou um fóton."

A solução encontrada foi combinar duas moléculas - um catalisador fotorredox (ou seja, um catalisador que move elétrons com a luz) e naftol, um composto orgânico fluorescente - e então expô-las à luz. Cada molécula absorve um fóton, e então ambas atuam conjuntamente para gerar hidrogênio, imitando um processo conhecido como esquema Z na fotossíntese natural.

"Essa ideia geral está sendo perseguida em laboratórios de pesquisa em todo o mundo," disse Aaron Vannucci, coordenador da equipe. "O que torna nosso sistema único é a molécula que usamos para a reação de formação de ligação. Notavelmente, apesar de ser uma molécula simples e abundante, o naftol absorve luz, aceita elétrons e atua como catalisador para a produção de hidrogênio."

A eficiência do mecanismo parece modesta (5%) quando se tem em mente uma produção em nível industrial, mas é excelente para o campo da fotossíntese artificial. Além disso, a equipe está trabalhando para entender os detalhes de como o naftol gera hidrogênio sem a necessidade de catalisadores caros, como a platina, não apenas para melhorar a eficiência da conversão de energia, mas também para expandir sua utilidade para outras reações, produzindo outros combustíveis.

Esquema do reator que extrai hidrogênio usando ondas sônicas.
[Imagem: Yemima Ehrnst et al. - 10.1002/aenm.202203164]

Esquema do reator que extrai hidrogênio usando ondas sônicas.
[Imagem: Yemima Ehrnst et al. - 10.1002/aenm.202203164[Imagem: Yemima Ehrnst et al. - 10.1002/aenm.202203164]

Hidrogênio com ondas sônicas

Yemima Ehrnst e colegas da Universidade RMIT, na Austrália, não inventaram um novo método de produção de hidrogênio: Eles melhoraram o método tradicional.

E melhoraram muito: Nada menos do que 14 vezes.

Usando vibrações de alta frequência, geradas por ondas sonoras, eles adotaram uma abordagem de "dividir e conquistar" as moléculas de água individuais durante a eletrólise. Quando as moléculas de água são quebradas pelas ondas sônicas, elas liberam 14 vezes mais hidrogênio do que as técnicas de eletrólise padrão.

"Com as ondas sonoras tornando muito mais fácil extrair hidrogênio da água, nós eliminamos a necessidade de usar eletrólitos corrosivos e eletrodos caros, como platina ou irídio. Como a água não é um eletrólito corrosivo, podemos usar materiais de eletrodo muito mais baratos, como a prata," disse o professor Amgad Rezk.

As ondas sônicas têm o benefício adicional de não permitir que as bolhas dos dois gases se acumulem nos eletrodos, o que diminui o rendimento da eletrólise.

Embora seja possível extrair o hidrogênio usando eletricidade produzida por fontes renováveis, como solar e eólica, a equipe garante que o ganho obtido com sua técnica pode viabilizar o uso de eletricidade de qualquer origem, já que o sistema apresenta um ganho líquido de energia de 27%.

Bibliografia:

Artigo: Molecular Z-Scheme for Solar Fuel Production via Dual Photocatalytic Cycles

Autores: Pooja J. Ayare, Noelle Watson, Maizie R. Helton, Matthew J. Warner, Tristan Dilbeck, Kenneth Hanson, Aaron K. Vannucci

Revista: Journal of the American Chemical Society

Vol.: 144, 47, 21568-21575

DOI: 10.1021/jacs.2c08462

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Maior bateria de fluxo do mundo entra em operação na China

Fonte:www.inovacaotecnologica.com.br

O objetivo é aplainar as curvas de demanda sobre a rede de distribuição, guardando eletricidade nos picos de produção e fornecendo nos vales.

                                                   [Imagem: DICP]

Bateria de fluxo

Foi conectada à rede elétrica na China a bateria de fluxo com a maior potência e capacidade do mundo até agora.

A bateria de fluxo Dalian tem uma capacidade de 100 MW, que será usada para amortecer os picos e vales da geração de energia limpa, fornecendo eletricidade em um nível constante mesmo quando o vento não estiver acionando as turbinas eólicas, e à noite, quando os painéis solares não geram energia.

O projeto de armazenamento de energia foi desenvolvido pelo grupo do professor Xianfeng Li, do Instituto de Físico-Química Dalian, da Academia Chinesa de Ciências. E o sistema foi construído e integrado pela Rongke Power Co.

A etapa inaugurada agora é apenas a primeira, para demonstração do armazenamento de energia química em grande escala. O projeto completo deverá chegar aos 200 megawatts(MW)/800 megawatt-hora (MWh) de eletricidade - nesta primeira fase a capacidade da bateria é de 100 MW/400 MWh.

Com base no consumo médio diário de eletricidade da China, de 2 kWh per capita, a bateria poderá atender à demanda diária de eletricidade de 200.000 habitantes, reduzindo assim a pressão sobre o fornecimento de energia durante os períodos de pico e melhorando a confiabilidade do fornecimento de energia.

A tecnologia de armazenamento de energia pode ajudar os sistemas de energia a atender demandas de pico, e também é particularmente importante para facilitar o uso de energia renovável.

Tanques de eletrólito, onde a energia fica armazenada quimicamente.

[Imagem: DICP]

Bateria de vanádio

A instalação Dalian usa a tecnologia de armazenamento de energia de bateria de fluxo de vanádio.

Como a eletricidade é armazenada quimicamente em tanques, ampliar a capacidade de armazenamento de longo prazo é meramente uma questão de acrescentar mais tanques - por isso essa tecnologia é também chamada de "bateria de encher".

A bateria opera através de um processo reversível chamado intercalação, no qual íons de zinco carregados positivamente são oxidados no eletrodo negativo de zinco metálico, viajam através do eletrólito e se inserem entre as camadas de óxido de vanádio. Isto gera um fluxo de elétrons no circuito externo, criando uma corrente elétrica. Durante o carregamento, ocorre o processo inverso.

Esta é uma tecnologia já bem conhecida e relativamente simples, mas não é considerada a mais ambientalmente correta porque utiliza diversos compostos quimicamente agressivos.

 

Hidrogênio é produzido usando umidade do ar e energia renovável

Fonte: inovacaotecnologica.com.br

Hidrogênio verde

Uma equipe internacional de engenheiros construiu um eletrolisador capaz de extrair hidrogênio da umidade do ar ambiente.

Como os métodos atuais para produzir hidrogênio a partir da eletrólise exigem água pura, usar a umidade do ar pode não apenas reduzir os custos e o consumo energético dessa produção, como também evitar competir por recursos e viabilizar a utilização do equipamento em virtualmente qualquer lugar.

De fato, a equipe garante que a eficiência do seu eletrolisador é tamanha que ele pode produzir hidrogênio captando umidade do ar até mesmo em regiões desérticas e semi-áridas - ele funciona com uma umidade tão baixa quanto 4%, quando a umidade típica em um deserto é de 20%.

O aparelho, que pode ser alimentado por energia renovável, como solar e eólica, absorve a umidade do ar e a divide em hidrogênio e oxigênio por eletrólise - o protótipo foi alimentado por energia renovável (solar ou eólica) e produziu hidrogênio verde por 12 dias consecutivos para esta avaliação inicial.

Já existem eletrolisadores capazes de fazer isto, mas eles são grandes e dependem de catalisadores de metais do grupo da platina, que são raros e extremamente caros.

O aparelho (esquerda) pode ser fabricado em versões maiores, ou pode-se ligar vários deles em paralelo.

[Imagem: Jining Guo et al. - 10.1038/s41467-022-32652-y]

Hidrogênio e oxigênio puros

Embora existam opções mais eficientes para captar umidade do ar, a equipe concluiu que, para os seus propósitos, o que incluía a redução de custos, o ácido sulfúrico era o melhor material para atuar como esponja para capturar a água.

"Um meio poroso, como esponja de melamina ou espuma de vidro sinterizado, é embebido com a substância iônica deliquescente para absorver a umidade do ar através das superfícies expostas. A água capturada na fase líquida é transferida para as superfícies dos eletrodos por difusão e posteriormente dividida em hidrogênio e oxigênio in situ, que são coletados separadamente como um gás puro, uma vez que ambos os eletrodos são isolados do ar," explicou a equipe.

A eficiência faradaica do eletrolisador foi de 95%, sem a injeção de nenhuma gota de água líquida - tudo foi capturado do ar.

"Esta é a primeira tecnologia capaz de produzir hidrogênio de alta pureza diretamente do ar, e você pode fazê-lo em qualquer lugar da Terra, desde que tenha energia," disse Gang Li, da Universidade de Melbourne, na Austrália.

Bibliografia:

Artigo: Hydrogen production from the air
Autores: Jining Guo, Yuecheng Zhang, Ali Zavabeti, Kaifei Chen, Yalou Guo, Guoping Hu, Xiaolei Fan, Gang Kevin Li
Revista: Nature Communications
Vol.: 13, Article number: 5046
DOI: 10.1038/s41467-022-32652-y

 

Como fazer parque eólico gerar mais energia sem instalar mais turbinas

Fonte: inovacaotecnologica.com.br

O novo sistema de controle coletivo do parque eólico desvia as esteiras das turbinas eólicas para reduzir efeito negativo de uma turbina sobre a outra (mostrado em laranja).

[Imagem: Victor Leshyk]

Mais energia sem novos equipamentos

Quando se trata de otimizar a produção de eletricidade dos parques eólicos, é melhor olhar para a floresta do que para as árvores.

Produzindo mais de 5% da eletricidade mundial, praticamente todas as turbinas eólicas hoje são controladas como se fossem unidades individuais e independentes.

Acontece que a grande maioria delas faz parte de grandes parques eólicos, envolvendo dezenas ou mesmo centenas de turbinas. E a interação de cada uma com o vento cria "esteiras" que afetam umas às outras.

Dando-se conta disso, uma equipe da Espanha, EUA e Índia se juntou para criar um programa de computador que modela o fluxo de vento de toda uma coleção de turbinas, e então emite os parâmetros de otimização para cada unidade individual levando em conta as interações recíprocas.

No geral, o aumento na produção de energia até parece modesto: Cerca de 1,2% no geral e 3% para velocidades de vento ideais. Contudo, um teste prático em um parque eólico na Índia produziu ganhos de até 32%.

Mas, mesmo assumindo apenas o ganho de 1,2%, se esse incremento for aplicado a todos os parques eólicos existentes no mundo, seria o equivalente a adicionar mais de 3.600 novas turbinas eólicas, ou o suficiente para abastecer cerca de 3 milhões de residências. Segundo cálculo dos pesquisadores, isso representaria um ganho total para os produtores de energia de quase US$ 1 bilhão por ano.

Espaçamento das turbinas eólicas

"Essencialmente, todas as turbinas existentes em escala de fazendas eólicas são controladas 'ambiciosamente' e de forma independente," explica o pesquisador Michael Howland - o termo "ambiciosamente", explica ele, refere-se ao fato de as turbinas serem ajustadas para maximizar apenas a própria produção de energia, como se fossem unidades isoladas, sem impacto nas turbinas vizinhas.

Mas, no mundo real, as turbinas são espaçadas para obter benefícios econômicos relacionados ao uso da terra e à infraestrutura, como estradas de acesso e linhas de transmissão. Essa proximidade significa que as turbinas são fortemente afetadas pelas esteiras de turbulência produzidas por outras que estão a favor do vento - um fator que os sistemas de controle de turbina individuais atualmente não levam em consideração.

"Do ponto de vista da física do fluxo, colocar turbinas eólicas juntas em parques eólicos é muitas vezes a pior coisa que você pode fazer," disse Howland. "A abordagem ideal para maximizar a produção total de energia seria colocá-las o mais longe possível," mas isso aumentaria os custos.

A equipe desenvolveu seu programa de modelagem justamente para encontrar o melhor equilíbrio nesses espaçamentos. E eles continuam refinando os modelos e trabalhando para melhorar as instruções operacionais geradas pelo programa, em busca do maior ganho de potência possível de um determinado conjunto de turbinas e condições ambientais.

Bibliografia:

Artigo: Collective wind farm operation based on a predictive model increases utility-scale energy production.

Autores: Michael F. Howland, Jesús Bas Quesada, Juan José Pena Martínez, Felipe Palou Larrañaga, Neeraj Yadav, Jasvipul S. Chawla, Varun Sivaram, John O. Dabiri

Revista: Nature Energy

DOI: 10.1038/s41560-022-01085-8

 

A diversificação das cadeias de fornecimento de energia solar fotovoltaica exigirá enfrentar os principais desafios

Fonte: IEA

Atualmente, a competitividade de custos da fabricação de energia solar fotovoltaica existente é um desafio fundamental para diversificar as cadeias de suprimentos. A China é o local mais competitivo em termos de custo para fabricar todos os componentes da cadeia de fornecimento de energia solar fotovoltaica. Os custos na China são 10% menores que na Índia, 20% menores que nos Estados Unidos e 35% menores que na Europa. Grandes variações nos custos de energia, mão de obra, investimento e despesas gerais explicam essas diferenças. Ainda assim, na ausência de incentivos financeiros e apoio à fabricação, a bancabilidade dos projetos de fabricação fora da montagem do painel permanece limitada fora da China e de alguns países do Sudeste Asiático. 

Custos totais de produção para componentes solares mono PERC c-Si 

por entrada, 2022.

Leia sumário executivo - Relatório IEA

 

Ciência brasileira: Amônia é produzida por energia solar

Fonte: inovacaotecnologica.com.br

Pesquisadores brasileiros converteram nitrogênio em amônia usando um material semicondutor ativado por luz solar.
[Imagem: CDMF]

Amônia com menos energia e menor impacto

Pesquisadores brasileiros, ligados ao CDMF (Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais) desenvolveram uma metodologia mais econômica e ambientalmente amigável para produzir amônia, uma substância largamente empregada como fertilizante agrícola e em diversos processos da indústria química.

Há mais de um século, a amônia (NH3) tem sido obtida por meio de um processo conhecido como síntese de Haber-Bosch, que consiste em combinar o nitrogênio do ar atmosférico com hidrogênio em uma condição de alta pressão e de temperatura moderadamente alta.

Em busca de um método alternativo de menor impacto energético e ambiental, a pesquisadora Juliana de Brito usou um composto de seleneto de antimônio dopado com nanopartículas de platina (Sb2Se3-Pt). Sintetizado pela própria equipe, esse é um material semicondutor que, sob a ação da luz solar, é capaz de converter uma molécula em outra.

Neste caso, o semicondutor funcionou como um catalisador, que promoveu a conversão do nitrogênio (N2) em amônia.

Para desenvolver o semicondutor, foi usada como suporte uma folha de trama de carbono, sobre a qual foi depositado o Sb2Se3. A deposição foi feita por redução eletroquímica, e um tratamento térmico posterior finalizou o processo.

"Depois disso, decoramos essa superfície com pequenas partículas de platina por fotoeletrodeposição. O material resultante foi então colocado em uma célula eletroquímica, onde foi empregado um pequeno potencial sob iluminação [técnica conhecida como fotoeletrocatálise]. Esse processo faz com que uma molécula de nitrogênio seja reduzida a duas moléculas de amônia," explicou Juliana, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

Amônia solar

A tecnologia se destaca por ser um dos poucos métodos desenvolvidos em todo o mundo empregando a técnica de fotoeletrocatálise, e o único empregando o Sb2Se3 como semicondutor.

Em termos gerais, os experimentos indicam que é possível, em um futuro não muito distante, substituir o atual processo de produção de amônia por algo mais econômico e que não cause tanto impacto ao meio ambiente - todo o processo pode ser alimentado por energia solar, por exemplo.

A pesquisa segue em andamento, e a equipe já está estudando outros materiais com potencial de serem empregados na conversão de nitrogênio em amônia, em um processo com maior eficiência.

Bibliografia:

Artigo: Ammonia production from nitrogen under simulated solar irradiation, low overpotential, and mild conditions
Autores: Juliana Ferreira de Brito, Magno Barcelos Costa, Krishnan Rajeshwar, Lucia Helena Mascaro
Revista: Electrochimica Acta
Vol.: 421, 140475
DOI: 10.1016/j.electacta.2022.140475

 

Por que o CO2 atmosférico não caiu durante a pandemia?

Fonte: inovacaotecnologica.com.br

As reduções na atividade humana induzidas pela pandemia levaram à redução das emissões - mas não do estoque de gás carbônico na atmosfera.
[Imagem: Joshua L. Laughner et al. - 10.1073/pnas.2109481118]

Ilustração da base conceitual para este estudo. As reduções na atividade humana induzidas pelo COVID-19 levaram à redução das emissões antropogênicas. O fato de essas reduções terem ocorrido ao longo de meses em vez de décadas nos permite observar como a atmosfera, a terra e o oceano provavelmente responderão em um cenário futuro com controles de emissões mais rígidos. Essa análise ajuda a identificar caminhos eficazes para mitigar a poluição do ar e as emissões de GEE relevantes para o clima. Crédito da imagem: Chuck Carter (Keck Institute for Space Studies, Pasadena, CA).

Enigma climático

Um amplo levantamento dos efeitos da pandemia sobre a atmosfera, usando satélites de monitoramento de várias agências espaciais, chegou a um dilema.

A pandemia e as limitações impostas a viagens e outros setores econômicos reduziram drasticamente a poluição do ar e as emissões de gases de efeito estufa em apenas algumas semanas.

No entanto, enquanto as emissões de dióxido de carbono (CO2) caíram 5,4% em 2020 em comparação com o ano anterior, a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera continuou a crescer aproximadamente à mesma taxa dos anos anteriores.

Em outras palavras, embora a queda nas emissões tenha sido significativa, o crescimento das concentrações atmosféricas de CO2 permaneceu dentro da faixa histórica de variação ano a ano causada por processos naturais. Além disso, o oceano não absorveu tanto dióxido de carbono da atmosfera como nos últimos anos, provavelmente devido à pressão reduzida de dióxido de carbono no ar na superfície do oceano.

"Durante perturbações socioeconômicas anteriores, como a escassez de petróleo em 1973, você pode ver imediatamente uma mudança na taxa de crescimento de CO2," diz David Schimel, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. "Todos nós esperávamos vê-la desta vez também."

Apesar das reduções substanciais nas emissões antropogênicas de CO2 no início de 2020, a taxa de crescimento anual de CO2 atmosférico não diminuiu.

[Imagem: Joshua L. Laughner et al. - 10.1073/pnas.2109481118]

Defesa contra o metano

O estudo também examinou os níveis de óxido de nitrogênio atmosférico (NOx). Na presença da luz solar, os óxidos de nitrogênio podem reagir com outros compostos atmosféricos para criar ozônio, um gás que é perigoso para a saúde humana, animal e vegetal.

Embora os dados mostrem que as quedas nos níveis de óxidos de nitrogênio relacionadas à queda nas atividades durante pandemia levaram a uma redução do ozônio na maior parte do mundo, o efeito da limitação de NOx na atmosfera foi menos positivo do que se esperava.

Os óxidos de nitrogênio reagem para formar uma molécula de vida curta chamada radical hidroxila, que desempenha um papel importante na quebra de gases de vida longa na atmosfera. Assim, ao reduzir as emissões de NOx - por mais benéfico que isso tenha sido na limpeza da poluição do ar - a pandemia também limitou a capacidade da atmosfera de se purificar de outro importante gás de efeito estufa: O metano.

Assim como aconteceu com o dióxido de carbono, a queda nas emissões não diminuiu a concentração de metano na atmosfera. Em vez disso, o metano cresceu 0,3% mais rápido no ano passado do que nos quatro anos anteriores - uma taxa mais rápida do que em qualquer outro momento da última década. Com menos NOx, havia menos radicais hidroxila para remover o metano.

Os cientistas ainda não têm explicações para esses efeitos inesperados e opostos ao que se esperava, mas afirmam que, ante os dados, não é possível mais dar tanta importância à redução nas atividades econômicas como estratégia para reduzir o aquecimento global.

"Isso sugere que a redução da atividade nesses setores industriais e residenciais não é viável no curto prazo" como forma de reduzir as emissões, concluiu a equipe.

Bibliografia:

Artigo: Societal shifts due to COVID-19 reveal large-scale complexities and feedbacks between atmospheric chemistry and climate change
Autores: Joshua L. Laughner, Jessica L. Neu, David Schimel, Paul O. Wennberg, Kelley Barsanti, Kevin W. Bowman, Abhishek Chatterjee, Bart E. Croes, Helen L. Fitzmaurice, Daven K. Henze, Jinsol Kim, Eric A. Kort, Zhu Liu, Kazuyuki Miyazaki, Alexander J. Turner, Susan Anenberg, Jeremy Avise, Hansen Cao, David Crisp, Joost de Gouw, Annmarie Eldering, John C. Fyfe, Daniel L. Goldberg, Kevin R. Gurney, Sina Hasheminassab, Francesca Hopkins, Cesunica E. Ivey, Dylan B. A. Jones, Junjie Liu, Nicole S. Lovenduski, Randall V. Martin, Galen A. McKinley, Lesley Ott, Benjamin Poulter, Muye Ru, Stanley P. Sander, Neil Swart, Yuk L. Yung, Zhao-Cheng Zeng
Revista: Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 118 (46) e2109481118
DOI: 10.1073/pnas.2109481118

 

Suíça inaugura maior bateria de água do mundo

Fonte:www.inovacaotecnologica.com.br

A represa do lago superior foi elevada em 20 metros para aumentar a capacidade da bateria.

[Imagem: Nant de Drance/Sébastien Moret]

Hidreletricidade bombeável

Está pronta para começar a operar em escala comercial a maior bateria de água do mundo. O teste definitivo foi feito neste final de semana.

Localizada em Valis, na Suíça, a bateria lembra as represas das usinas hidrelétricas, mas não interrompe qualquer curso d'água.

Na verdade, são dois lagos - Emosson e Velho Emosson - localizados em altitudes diferentes. Entre os dois foi escavado um túnel que permite que a água flua entre os dois e onde ficam localizados os geradores.

Quando há excesso de produção de energia, sobretudo de fontes renováveis, como eólica e solar, o excedente de energia é usado para bombear água do lago inferior para o lago superior.

Quando a energia é necessária, basta liberar a água do lago superior, que descerá para o lago inferior, mas antes passando por turbinas iguais às das hidrelétricas, produzindo eletricidade.

Segundo a empresa Nant de Drance, que gastou US$ 2 bilhões e 14 anos para construir o reservatório de energia, a bateria de água pode armazenar 20 kWh, o equivalente a 400.000 baterias de íons de lítio usadas em carros elétricos.

São necessários menos de 5 minutos para a usina parar de bombear água em velocidade máxima e começar a girar as turbinas também a plena capacidade; e menos de 10 minutos para mudar do modo turbina para o modo bomba.

As seis turbinas podem gerar até 900 MW de eletricidade, sendo que o lago superior, o Velho Emosson, pode fazer as turbinas girarem por 20 horas antes de esvaziar.

O tempo de construção foi longo porque exigiu a escavação de túneis na descendente, através das montanhas dos Alpes. 

[Imagem: Nant de Drance]

Baterias ecológicas

Embora sejam pouco conhecidas, as baterias de água são usadas há séculos, inclusive na Suíça.

Mas só mais recentemente, com a ampliação do uso da energia solar e energia eólica, o conceito passou a se tornar interessante para exploração em larga escala, devido à intermitência dessas fontes renováveis de energia.

Nessa linha, as hidrelétricas de bombeamento figuram entre as alternativas mais promissoras, ao lado das baterias de fluxo, que armazenam a eletricidade em compostos químicos.

Recentemente, a China anunciou projetos para alcançar 270 GW de armazenamento em hidroenergia bombeável até 2025.