Células de óxido sólido: impulsionando uma economia líquida de carbono zero

Aqui, o professor Stephen Skinner, do Imperial College London, discute o potencial das células de óxido sólido para atender às nossas necessidades futuras de energia com emissões reduzidas de carbono

Em junho de 2019, o Reino Unido se tornou a primeira grande economia internacional a se comprometer a se tornar uma economia de carbono zero líquido até 2050 [1]. Esta é uma mudança significativa em relação à meta anterior de redução de 80% das emissões até 2050 e de acordo com o Comitê de Mudanças Climáticas (CCC)[2] o Reino Unido provavelmente não acertaria o alvo anterior. Para cumprir a meta revisada de emissões líquidas zero até 2050, será necessário um progresso tecnológico significativo, vontade política e engajamento empresarial. Para ser claro, as emissões líquidas zero significam que a economia do Reino Unido continuará a gerar emissões, mas essas emissões terão de ser equilibradas pela remoção dos gases de efeito estufa. Embora o Reino Unido tenha sido a primeira economia do G7 a legislar sobre carbono zero líquido, vários outros países também se comprometeram a fazer carbono zero líquido, incluindo França e Dinamarca, enquanto a UE também propôs legislação semelhante [3].

Embora sejam iniciativas atraentes e essenciais, é claro que as economias terão que abordar os setores-chave que contribuem para as emissões de carbono: Abastecimento de Energia (geração de eletricidade), Transporte, Negócios (uso comercial de eletricidade, por exemplo, manufatura) e residencial (doméstico aquecimento). Embora o setor de fornecimento de energia tenha visto reduções significativas de emissões, o mesmo não é o caso nos setores de transporte, negócios e residencial e, portanto, esses são um foco fundamental para atingir a meta de economia líquida zero. Isso exigirá uma mudança significativa em tecnologia e infraestrutura, conforme destacado pelo CCC [4], incluindo propostas para aumentar a eletrificação e desenvolver uma economia de hidrogênio. O desenvolvimento de uma economia de hidrogênio limpo usando hidrogênio ‘azul’ ou ‘verde’ exigirá uma diversidade de soluções, com uma opção atraente sendo o uso de células de óxido sólido (SOCs) para produzir hidrogênio e, no modo reverso, produzir calor combinado e energia (CHP), voltada para o setor de aquecimento doméstico.

See also  Política energética do Reino Unido: uma recuperação verde com tecnologia

Tecnologia de célula de óxido sólido

Uma célula de óxido sólido consiste em um eletrodo de combustível, um eletrólito condutor de íons e um eletrodo de ar como a unidade de repetição, Figura 1, e tem a vantagem de ser escalável, a partir de dispositivos de película fina produzidos por meio de manufatura aditiva[5] no nível de saída de potência mW até dispositivos estacionários na escala MW desenvolvidos com técnicas convencionais de processamento de cerâmica. No modo de geração de energia (célula a combustível) os dispositivos podem utilizar uma variedade de combustíveis, incluindo metano e hidrogênio, com alta eficiência, todos operando em temperaturas superiores a 500 ° C. Embora a conversão de metano produza emissões de CO2, a alta eficiência desses dispositivos significa que o CO2 produzido por kWh é drasticamente reduzido e os SOCs podem ser integrados imediatamente em ambientes domésticos. As reduções de emissões potenciais desta implementação imediata são significativas, e um passo para emissões zero no ponto de uso da tecnologia. A longo prazo, essa tecnologia está idealmente equipada para operar com combustível de hidrogênio, seja no dispositivo à base de íon óxido, Figura 1a, ou em um dispositivo condutor de próton, Figura 1c. Cada um desses dispositivos é conceitualmente idêntico, com pequenas diferenças de materiais entre as tecnologias.

À medida que uma economia de hidrogênio é estabelecida, fontes para a produção de hidrogênio ‘verde’ e ‘azul’ serão necessárias. Hidrogênio verde é aquele produzido por meio de tecnologias renováveis ​​combinadas com eletrólise, enquanto o hidrogênio azul é gerado por meio da reforma do metano. Mais uma vez, a tecnologia SOC oferece uma solução na forma de eletrólise a vapor de alta temperatura, que é a conversão do vapor de água em um fluxo de hidrogênio de alta pureza usando um eletrolisador de cerâmica. É um desafio empreender a eletrólise a vapor de alta temperatura com baixas emissões, mas como a geração de eletricidade renovável teve um crescimento considerável nos últimos anos com tecnologias como solar e eólica, combinadas com armazenamento por meio de tecnologias de bateria, a eletrólise a vapor é uma solução cada vez mais atraente. Existem duas rotas principais que oferecem soluções de eletrólise de óxido sólido e são baseadas em uma membrana condutora de íons de óxido (O2-), Figura 1b, ou em membranas condutoras de prótons (H +), Figura 1d.

See also  Os cientistas estão trabalhando em uma nova fonte de energia renovável
Figura 1 – Ilustração esquemática dos princípios de operação de a) célula a combustível de óxido sólido, b) célula de eletrólise de óxido sólido, c) célula a combustível condutora de próton sólido ed) célula de eletrólise condutora de próton sólido. Coletivamente, esses dispositivos são chamados de células de óxido sólido (SOCs)

Cada uma dessas células de eletrólise de óxido sólido está nos estágios iniciais de desenvolvimento, mas há sucessos notáveis, com a Sunfire oferecendo um produto que produz 99,999% H2 com 82% de eficiência elétrica[7]. Apesar disso, há desafios consideráveis ​​que precisam ser totalmente resolvidos, incluindo a vida útil e a durabilidade dos dispositivos, fenômenos de degradação e desempenho final.

Para alcançar a penetração no mercado de massa de células de óxido sólido, a tecnologia deve atingir algumas metas ambiciosas, como as definidas pelo Departamento de Energia dos EUA de $ 43 kWh / kg H2 [8] para eletrólise, e para fazer isso requer o desenvolvimento de novos materiais de alto desempenho, combinados com uma compreensão profunda dos processos de transporte em e através de interfaces. O desenvolvimento de eletrodos e eletrólitos de cerâmica eficazes e a otimização de suas características nano e microestruturais são etapas essenciais para se obter uma economia de carbono zero líquido. No campo dos SOCs, há um interesse crescente no desenvolvimento de abordagens de manufatura aditiva, permitindo que novos designs de células inovadores sejam imaginados, permitindo temperaturas operacionais mais baixas da célula. Essas inovações expandem a gama de setores de aplicação que a tecnologia pode atender. O apoio à ciência e engenharia de materiais fundamentais, combinado com a transferência de tecnologia para desenvolvedores de sistemas, garantirá que um rápido progresso para atender a essas metas ambiciosas possa ser alcançado.

Referências

[1] https://www.gov.uk/government/news/uk-becomes-first-major-economy-to-pass-net-zero-emissions-law (recuperado em 08/11/20)

[2] https://www.instituteforgovernment.org.uk/explainers/net-zero-target (recuperado em 08/11/20)

[3] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_335 (recuperado em 08/11/20)

[4] https://www.theccc.org.uk/uk-action-on-climate-change/reaching-net-zero-in-the-uk/ (recuperado em 08/11/20)

[5] http://www.cell3ditor.eu/ (recuperado em 08/11/20)

[6] http://www.h2fcsupergen.com/opportunities-for-hydrogen-fuel-cell-clean-growth-uk/ (recuperado em 08/11/20)

[7] https://www.sunfire.de/en/products-and-technology/sunfire-hylink (recuperado em 09/01/2020)

[8] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-hydrogen-production-electrolysis (recuperado em 09/02/2020)

See also  O fornecimento de água pela Internet é uma compra virtual, mas os benefícios são reais

Observação: este é um perfil comercial

Do editor Recomendado Artigos

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Related Post