Normalmente, quando pensamos sobre a produção de energia no mar, imaginamos plataformas gigantes de petróleo, ou talvez filas de turbinas eólicas imponentes. Recentemente, porém, painéis solares flutuantes foram adicionados à mistura, incluindo uma fazenda solar do tamanho de 160 campos de futebol que entraram em operação na China no ano passado.
Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Columbia quer dar um passo adiante. Eles dizem que é possível usar painéis solares na superfície do oceano para alimentar dispositivos que podem produzir hidrogênio a partir da água do mar.
O hidrogênio é uma forma limpa de energia, mas é mais comumente produzido a partir do gás natural em um processo que também libera dióxido de carbono, um dos principais impulsionadores da mudança climática. Os cientistas da Columbia dizem que seu dispositivo, chamado de eletrolisador fotovoltaico flutuante, elimina essa consequência ao utilizar a eletrólise para separar oxigênio e hidrogênio nas moléculas de água e, em seguida, armazená-las para uso como combustível.
O chefe da equipe, Daniel Esposito, professor assistente de engenharia química, aponta que o uso de eletrólitos comerciais existentes para gerar hidrogênio é bastante caro. "Se você tirar os painéis solares disponíveis no mercado e os eletrolisadores disponíveis comercialmente, e usar a luz solar para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, ela será de três a seis vezes mais cara do que se você produzisse hidrogênio a partir do gás natural". ele diz.
Ele também observa que esses eletrolisadores requerem membranas para manter as moléculas de oxigênio e hidrogênio separadas, uma vez que são separadas. Isso não apenas aumenta o custo, mas essas partes tendem a se degradar rapidamente quando expostas aos contaminantes e micróbios em água salgada.
"Ser capaz de demonstrar com segurança um dispositivo que pode realizar eletrólise sem uma membrana nos traz mais um passo para tornar possível a eletrólise da água do mar", disse Jack Davis, pesquisador e principal autor do estudo de prova de conceito, em um comunicado. "Esses geradores de combustível solar são essencialmente sistemas fotossintéticos artificiais, fazendo a mesma coisa que as plantas fazem com a fotossíntese, então nosso dispositivo pode abrir todos os tipos de oportunidades para gerar energia limpa e renovável".
Dois eletrodos de malha são mantidos a uma distância de separação estreita (L) e geram gases H2 e O2 simultaneamente. A principal inovação é a colocação assimétrica do catalisador nas superfícies voltadas para fora da malha, de tal forma que a geração de bolhas é restrita a essa região. Quando as bolhas de gás se desprendem, sua flutuabilidade faz com que elas flutuem para cima em câmaras de coleta separadas. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Borbulhando
Então, o que torna o eletrolisador distinto?
O dispositivo é construído em torno de eletrodos de malha de titânio suspensos em água e separados por uma pequena distância. Quando uma corrente elétrica é aplicada, as moléculas de oxigênio e hidrogênio se separam, com o primeiro desenvolvendo bolhas de gás no eletrodo que está positivamente carregado, e o segundo fazendo o mesmo com uma carga negativa.
É essencial manter essas diferentes bolhas de gás separadas, e o eletrolisador Columbia faz isso por meio da aplicação de um catalisador em apenas um lado de cada componente da malha - a superfície mais distante do outro eletrodo. Quando as bolhas se tornam maiores e se desprendem da malha, elas flutuam ao longo das bordas externas de cada eletrodo, em vez de se misturarem no espaço entre elas.
Os cientistas não apenas evitaram o uso de membranas caras, mas também não precisaram incorporar as bombas mecânicas que alguns modelos usam para movimentar líquidos. Em vez disso, seu dispositivo depende da flutuabilidade para fazer flutuar as bolhas de hidrogênio em uma câmara de armazenamento. No laboratório, o processo foi capaz de produzir gás hidrogênio com 99% de pureza.
Alexander Orlov, professor associado de ciência dos materiais e engenharia química na Stony Brook University, em Nova York, concorda que a eliminação de membranas é um desenvolvimento "substancial". "As membranas são pontos fracos na tecnologia", diz ele. "Existem algumas soluções mais sofisticadas, mas a abordagem da Esposito é extremamente simples e bastante prática. Foi publicada e revisada por pares em publicações de alto impacto, portanto, apesar de sua simplicidade, a ciência e a novidade são sólidas."
Pensando grande
Esposito e Davis prontamente reconhecem que é um grande salto do pequeno modelo testado em seu laboratório para o tipo massivo de estrutura que poderia tornar o conceito economicamente viável. Pode ser necessário incluir centenas de milhares de unidades de eletrolisador conectadas para gerar uma quantidade suficiente de combustível de hidrogênio do mar.
Na verdade, diz Esposito, pode ser necessário fazer algumas mudanças de projeto à medida que o projeto se desenvolve e se torna mais modular, tantas peças podem se encaixar para cobrir uma grande área. Além disso, eles enfrentam o desafio de encontrar materiais que possam sobreviver por muito tempo em água salgada.
Dito isso, ambos acreditam que sua abordagem tem potencial para afetar o suprimento de energia do país de maneira significativa. O hidrogênio já é muito usado na indústria química, por exemplo, para produzir amônia e metanol. E espera-se que a demanda continue aumentando à medida que mais fabricantes de automóveis se comprometem com carros movidos a células a combustível de hidrogênio.
(Esquerda) Foto do protótipo de eletrolisador fotovoltaico autônomo flutuando em um reservatório de líquido de ácido sulfúrico. Células fotovoltaicas posicionadas na parte superior da "mini-sonda" convertem a luz em eletricidade que é usada para alimentar o eletrolisador sem membranas submerso abaixo. (Direita) Uma renderização de uma hipotética "bomba de combustível solar" em larga escala operando em mar aberto. ((À esquerda) Jack Davis e (à direita) Justin Bui / Columbia Engineering) Sua visão de longo prazo é de gigantes “plataformas de combustível solar” flutuando no oceano, e Esposito foi ao ponto de estimar quanto área cumulativa eles precisariam cobrir para gerar combustível de hidrogênio suficiente para substituir todo o óleo usado no planeta. . Seu cálculo: 63.000 milhas quadradas, ou uma área um pouco menos que o estado da Flórida. Isso soa como um monte de oceano, mas ele aponta que a área total cobriria cerca de 0, 045% da superfície da água da Terra.
É um pouco uma projeção do céu, mas Esposito também pensou sobre os desafios do mundo real que enfrentariam uma operação de produção de energia flutuante, não presa ao fundo do mar. Para começar, existem ondas grandes.
“Certamente, precisaríamos projetar a infra-estrutura para esse equipamento para que ele possa suportar mares tempestuosos”, diz ele. "É algo que você levaria em conta quando estiver pensando onde um equipamento está localizado."
E talvez, acrescenta, essas plataformas possam sair do caminho do perigo.
“Existe a possibilidade de um equipamento como este ser móvel. Algo que talvez pudesse se expandir e depois contrair. Provavelmente não seria capaz de se mover rápido, mas poderia sair do caminho de uma tempestade.
"Isso seria muito valioso", diz ele.
