Dois passos rumo ao hidrogênio extraído do ar com energia solar

Fonte: www.inovacaotecnologica.com.br

Hidrogênio solar extraído do ar

Um dispositivo que possa ser alimentado por energia solar, colete água a partir da umidade do ar ambiente e forneça hidrogênio, o combustível limpo por excelência, tem sido um sonho para pesquisadores, engenheiros e ambientalistas há décadas.

Agora, nada menos do que dois avanços simultâneos nessa área mostram que esse não é um sonho tão inatingível. E ambos em um nível de prontidão tecnológica mais avançado do que as duas novas formas de produzir hidrogênio descobertas no final do ano passado.

Marina Caretti e colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, desenvolveram um sistema engenhoso, mas simples, que combina a tecnologia dos semicondutores usados na eletrônica e nas células solares com novos eletrodos para quebrar as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio.

A grande inovação está exatamente nesses eletrodos, que têm duas características principais: Eles são porosos, para maximizar o contato com a água no ar, e são transparentes, para maximizar a exposição à luz solar do revestimento semicondutor.

O conjunto usa a energia solar para quebrar as moléculas de água presentes na umidade normal do ar, produzindo hidrogênio. Por isto, o mecanismo pode ser enquadrado na categoria da fotossíntese artificial, já que imita o modo como as plantas transformam a luz solar em energia química usando o dióxido de carbono do ar.

A grande inovação está no pequeno disco visto no centro do dispositivo.

[Imagem: Marina Caretti et al. - 10.1002/adma.202208740]

Revestidos com o material semicondutor coletor de luz, o mesmo das células solares, os eletrodos transparentes de difusão de gás de fato funcionam como uma folha artificial, coletando água do ar e usando a luz solar para produzir gás hidrogênio.

Embora a equipe não tenha ainda medido a eficiência de conversão de energia solar em hidrogênio, eles reconhecem que ela é modesta para este protótipo. Mas, com base nos materiais usados, a eficiência teórica máxima de conversão de energia solar em hidrogênio é de 12%, enquanto células a combustível líquidas do tipo PEC (células fotoeletroquímicas), uma tecnologia que pode ser considerada concorrente, podem alcançar uma eficiência de até 19%.

A mesma equipe já obteve uma eficiência de 14,2% na produção de hidrogênio solar usando materiais de alto custo e até 4,5% de eficiência na conversão fotoeletroquímica da água usando materiais de baixo custo.

Se 9% de eficiência parece pouco, isso é dezenas de vezes mais eficiente do que a fotossíntese natural.

[Imagem: Peng Zhou et al. - 10.1038/s41586-022-05399-1]

Painel de fotossíntese artificial

A segunda novidade veio pelas mãos de Peng Zhou e colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, que construíram um novo tipo de painel solar que alcançou 9% de eficiência na conversão de água em hidrogênio e oxigênio, também imitando a fotossíntese.

Como opera ao ar livre, e não em condições controladas de laboratório, o protótipo representa um grande salto na tecnologia, sendo quase 10 vezes mais eficiente do que experimentos solares de divisão de água desse tipo.

Aqui, foram duas inovações, a primeira consistindo na redução da quantidade necessária do semicondutor responsável pela coleta da energia solar. Como este é o elemento mais caro da tecnologia, isso representa uma redução nos custos do hidrogênio solar.

"Nós reduzimos o tamanho do semicondutor em mais de 100 vezes em comparação com alguns semicondutores que trabalham apenas com baixa intensidade de luz," disse Peng Zhou, destacando que essa redução permite concentrar a luz solar por meio de lentes até 160 vezes o brilho normal do Sol sem danificar os semicondutores, o que aumenta muito a eficiência operacional da célula, embora imponha outras restrições de engenharia para uso prático.

A segunda inovação está na capacidade de usar a parte de maior energia do espectro solar para dividir a água, e a parte inferior do espectro para fornecer calor, que estimula a reação. Isso foi possível com o desenvolvimento de um catalisador semicondutor que se autoconserta, resistindo à degradação que os catalisadores geralmente sofrem quando aproveitam a luz solar para conduzir reações químicas.

O catalisador é feito de nanoestruturas de nitreto de índio e gálio, cultivadas em uma superfície de silício. Essa bolacha semicondutora captura a luz, convertendo-a em elétrons livres e lacunas - cargas positivas, deixadas quando os elétrons são liberados pela luz. As nanoestruturas são salpicadas com aglomerados de metal em nanoescala, com 1/2000 de milímetro de diâmetro, que usam esses elétrons e lacunas para ajudar a direcionar a reação.

A concentração da luz solar gera temperaturas muito mais altas, que aceleram o processo de separação da água, e o calor extra ainda ajuda a manter o hidrogênio e o oxigênio separados, em vez de renovar suas ligações e formar água novamente. Ambos ajudaram a equipe a coletar mais hidrogênio.

Os próximos desafios que a equipe pretende enfrentar são melhorar ainda mais a eficiência e obter hidrogênio de pureza alta o suficiente para que ele possa ser injetado diretamente nas células de combustível, produzindo eletricidade.

Bibliografia:

Artigo: Transparent Porous Conductive Substrates for Gas-Phase Photoelectrochemical Hydrogen Production
Autores: Marina Caretti, Elizaveta Mensi, Raluca-Ana Kessler, Linda Lazouni, Benjamin Goldman, Loi Carbone, Simon Nussbaum, Rebekah A. Wells, Hannah Johnson, Emeline Rideau, Jun-ho Yum, Kevin Sivula
Revista: Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202208740

Artigo: Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting
Autores: Peng Zhou, Ishtiaque Ahmed Navid, Yongjin Ma, Yixin Xiao, Ping Wang, Zhengwei Ye, Baowen Zhou, Kai Sun, Zetian Mi
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41586-022-05399-1

 

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