CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

A expressão “economia do hidrogênio” é usada para indicar o papel do hidrogênio no futuro cenário energético. O interesse pelo hidrogênio, como portador de energia, tem crescido nos últimos anos devido ao aumento da poluição do ar no mundo. O hidrogênio é um portador de energia limpo e flexível que pode ser usado para fornecer tanto energia elétrica quanto calor em diversos setores de uso final. Veículos e a geração de energia estacionária alimentados por hidrogênio são tecnologias com emissão zero. O hidrogênio pode ser produzido tanto a partir de combustíveis fósseis tradicionais quanto de fontes de energia livres de carbono, sendo utilizado para armazenar energia e fornecer gerenciamento de resposta à rede elétrica.

O eletrolisador é um dispositivo que realiza a eletrólise da água, convertendo energia elétrica em energia química (hidrogênio e oxigênio gasosos). O processo é o oposto da reação em uma célula a combustível. Hoje, apenas 4% do hidrogênio é produzido por eletrólise; outros métodos de custo mais baixo são muitas vezes preferidos, como a reforma a vapor de gás natural [1]. A eletrólise é considerada a forma mais limpa de produzir hidrogênio usando fontes de energia renováveis e tem (juntamente com outras tecnologias de armazenamento) o potencial de atuar como armazenamento de energia neste setor. Estudos mostram que a eletricidade representa 70% a 90% do custo de um quilograma de hidrogênio produzido por eletrólise [1]. Consequentemente, a competitividade da eletrólise estará estritamente relacionada aos preços da eletricidade. No entanto, a eletrólise pode ser competitiva em circunstâncias em que as regulamentações permitam um pagamento por serviços de rede (grid services) — operando como uma carga controlável — ou quando o contexto político criar condições para reduzir significativamente o custo da eletricidade.

Atualmente, existem duas tecnologias comerciais distintas de eletrólise da água que operam em baixas temperaturas: eletrolisadores alcalinos (AEC) e eletrolisadores de membranas polimériccas PEM. Os eletrolisadores alcalinos, uma tecnologia comercialmente mais madura entre as duas, contêm dois eletrodos imersos em um eletrólito alcalino líquido que consiste em uma solução concentrada de hidróxido de potássio (\(KOH\)). Em contraste, os eletrolisadores PEM usam um polímero sólido condutor de prótons como eletrólito e água deionizada. Como resultado, os eletrolisadores PEM têm muitas vantagens sobre os eletrolisadores alcalinos, como um design de sistema relativamente simples e a capacidade de operar com segurança em densidades de corrente mais altas. Uma terceira tecnologia, atualmente em fase pré-comercial, são os sistemas de membrana de troca alcalina (AEM), que tem o potencial de colocar a eletrólise da água em uma nova trajetória de redução de custos.

A eletrólise da água por tecnologia PEM é conhecida há muitos anos; no entanto, devido a componentes caros, como membranas e materiais de placa bipolar, e vida útil limitada, os eletrolisadores PEM se estabeleceram apenas em aplicações de nicho de escala relativamente pequena, como geradores de hidrogênio e oxigênio de laboratório, sistemas de suporte à vida, fornecimento de combustível para pequenos sistemas de células a combustível etc. Em geral, os sistemas de eletrólise da água por PEM podem fornecer uma fonte relativamente simples, escalável e de fácil implantação de hidrogênio de alta pureza para aplicações de varejo e comerciais menores próximas ao ponto de consumo. Nos últimos anos, as células a combustível PEM de hidrogênio fizeram um progresso significativo em direção à comercialização, resultando em um interesse crescente em tecnologias para produção de hidrogênio no local, como a eletrólise da água por PEM. Assim, o uso da eletrólise da água por PEM para a produção de combustível de hidrogênio tornou-se um vetor de interesse para oportunidades de implantação de células a combustível em setores como mobilidade sustentável, manuseio de materiais e energia de reserva (back-up power).

O rápido desenvolvimento da tecnologia de célula a combustível PEM de escala relativamente pequena também contribuiu para um efeito de “salto” na compreensão fundamental dos requisitos e funcionalidades de certos componentes e atributos da tecnologia de eletrólise por PEM que são comuns tanto para células a combustível PEM quanto para eletrolisadores, como aspectos de fabricação, componentes (membranas, placas, catalisador), design do campo de fluxo etc. No entanto, novas tendências no desenvolvimento de sistemas de eletrólise da água por PEM abriram novas lacunas e requisitos tecnológicos que não haviam sido discutidos anteriormente em relação à eletrólise da água por PEM. [1].

Neste módulo, serão abordados os principais métodos para produção de hidrogênio, considerando as rotas convencionais e as rotas de baixo carbono, os desafios da integração com as energias renováveis, bem como as principais tecnologias de eletrólise e células a combustível de hidrogênio. Por fim, serão apresentados projetos demonstrativos e aplicações destas tecnologias.