Com a queda do preço da energia renovável, há um interesse crescente em encontrar formas de economizá-la economicamente. As baterias podem lidar com surtos de produção de curto prazo, mas podem não ser capazes de lidar com escassez de longo prazo ou variações sazonais na produção de eletricidade. O hidrogênio é uma das várias opções em consideração que tem o potencial de servir como uma ponte de longo prazo entre períodos de alta produtividade de energia renovável.
Mas o hidrogênio tem seus próprios problemas. Obtê-lo por fracionamento da água é bastante ineficiente do ponto de vista energético, e armazená-lo por longos períodos pode ser difícil. A maioria dos catalisadores produtores de hidrogênio também funciona melhor com água limpa – não necessariamente do tipo que está prontamente disponível, já que a mudança climática aumenta a intensidade das secas.
Um grupo de pesquisadores na China desenvolveu um dispositivo que pode produzir hidrogênio a partir da água do mar – na verdade, ele precisa estar na água do mar para que o dispositivo funcione. O conceito-chave por trás de seu trabalho será familiar para qualquer pessoa que entenda como funciona a maioria das roupas impermeáveis.
Roupas impermeáveis e respiráveis contam com uma membrana com poros cuidadosamente estruturados. A membrana é feita de material que repele a água. Tem poros, mas são muito pequenos para deixar passar a água líquida. Mas eles são grandes o suficiente para que moléculas de água individuais possam passar por eles. Como resultado, qualquer água do lado de fora da roupa permanece lá, mas qualquer suor do lado de dentro que evapore ainda fluirá pelo tecido e seguirá para o mundo exterior. Como resultado, o tecido respira.
Essa membrana é fundamental para o funcionamento do novo dispositivo. Não passa água líquida através da membrana, mas passa vapor de água. A grande diferença é que a água líquida está em ambos os lados da membrana.
Fora - água do mar com um conjunto padrão de sais. Em seu interior está uma solução concentrada de um único sal - neste caso o hidróxido de potássio (KOH) - que é compatível com o processo de eletrólise que produz hidrogênio. Imerso na solução de KOH está um conjunto de eletrodos que produzem hidrogênio e oxigênio em ambos os lados do separador, mantendo os fluxos de gás limpos.
O que acontece depois que o equipamento começa a funcionar? À medida que a água dentro do dispositivo se divide para produzir hidrogênio e oxigênio, o nível reduzido da água aumenta a concentração da solução de sal cáustico (que inicialmente era muito mais concentrada que a água do mar). Isso torna a energia eficiente para mover a água através da membrana de água do mar para diluir o KOH. E, graças aos poros, isso é possível, mas apenas se a água se mover na forma de vapor.
Como resultado, enquanto dentro da membrana, a água permanece em estado de vapor por um curto período de tempo, e então rapidamente se transforma em líquido assim que entra no dispositivo. Toda a complexa mistura de sais contida na água do mar fica fora da membrana, e um fluxo constante de água doce é fornecido aos eletrodos que a dividem. É importante ressaltar que tudo isso acontece sem usar a energia normalmente usada na dessalinização, tornando o processo geral mais eficiente energeticamente do que tratar a água para uso em um eletrolisador padrão.
Em princípio, tudo isso parece ótimo, mas realmente funciona? Para descobrir, a equipe montou o dispositivo e o testou na água do mar da Baía de Shenzhen (uma baía ao norte de Hong Kong e Macau). E por quase todas as medidas razoáveis, teve um bom desempenho.
Manteve o desempenho mesmo após 3200 horas de uso, e a microscopia eletrônica da membrana após o uso mostrou que os poros permaneceram desobstruídos nesta etapa. O KOH usado para o sistema não era completamente puro, por isso continha baixos níveis de íons encontrados na água do mar. Mas esses níveis não aumentaram com o tempo, confirmando que o sistema não permitia a entrada de água do mar na câmara de eletrólise. Em termos de consumo de energia, o sistema utilizou aproximadamente o mesmo que um eletrolisador padrão, confirmando que o tratamento da água não exigiu nenhum gasto de energia.
A solução de KOH também se equilibrava, com a difusão de água no dispositivo diminuindo se sua solução interna se tornasse muito diluída. Se ficar muito concentrado, a eficiência da eletrólise cai, então a remoção de água diminui.
Os autores estimam que seu dispositivo pode operar sob pressão da água do mar em profundidades de até 75 m. No entanto, a temperatura nessas profundidades pode ser limitante, pois a taxa de difusão da água através da membrana é seis vezes maior a 30 ° C do que a 0 ° C.
Mesmo com todas essas boas notícias, há oportunidades para melhorar o desempenho. Vários sais além do KOH são bons e alguns podem funcionar melhor. Os pesquisadores também descobriram que a incorporação de KOH no hidrogel ao redor dos eletrodos aumentou a produção de hidrogênio. Por fim, é possível que a mudança do material ou da estrutura dos eletrodos usados na separação da água acelere ainda mais o processo.
Por fim, a equipe sugeriu que poderia ser útil para mais do que apenas a produção de hidrogênio. Em vez de água do mar, eles imergiram um dos aparelhos em uma solução diluída de lítio e descobriram que, após 200 horas de operação, a concentração de lítio aumentava mais de 40 vezes devido à entrada de água no aparelho. Existem muitos outros contextos, como o tratamento de águas contaminadas, onde esta capacidade de concentração pode ser útil.
Isso não resolve todos os problemas associados ao uso de hidrogênio como armazenamento de energia. Mas certamente tem o potencial de nos permitir riscar "a necessidade de água limpa" da lista dessas questões.
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