O hidrogênio verde pode alcançar econômicaviabilidade por meio da coprodução de produtos químicos valiosos

Já funciona: existem várias abordagens à utilização da energia solar para dividir a água e produzir hidrogênio. Infelizmente, este hidrogênio “verde” tem sido até agora mais caro do que o hidrogênio “cinzento” proveniente do gás natural

Um estudo realizado pelo Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) e pela Universidade Técnica de Berlim mostra agora como o hidrogénio verde proveniente da luz solar pode tornar-se rentável: parte do hidrogénio é utilizada para transformar produtos químicos brutos derivados de biomassa em produtos químicos de elevado valor para a indústria. Este conceito de coprodução é muito flexível; a mesma planta pode ser usada para produzir diferentes subprodutos, conforme necessário.

Esquema do nosso sistema de hidrogenação eletroquímica acoplada (foto) proposta

As células católitas e anólitas são separadas por uma membrana de troca catiônica, e o H₂ gerado (foto) eletroquimicamente é (parcialmente) utilizado in situ para realizar reações de hidrogenação (neste caso ácido itacônico em ácido metil succínico com um catalisador Rh/TPPTS homogêneo) dentro da câmara católita

Controle total sobre as reações

Uma equipe liderada por Fatwa Abdi (no HZB até meados de 2023, agora na City University em Hong Kong) e Reinhard Schomäcker (UniSysCat, TU Berlin) investigou agora como o equilíbrio muda quando parte do hidrogênio produzido em um dispositivo PEC reage com ácido itacônico (IA) para formar ácido metilsuccínico (MSA), tudo dentro do mesmo dispositivo. O material de partida, o ácido itacônico, vem da biomassa e é alimentado. O ácido metilsuccínico é um composto de alto preço e necessário para as indústrias química e farmacêutica. No estudo, a equipe descreve como controlar as reações químicas no dispositivo PEC variando os parâmetros do processo e a concentração do catalisador homogêneo à base de ródio, que é solúvel em água e já ativo à temperatura ambiente. Desta forma, diferentes proporções de hidrogênio poderiam ser utilizadas para a hidrogenação do ácido itacônico, aumentando ou diminuindo seletivamente a produção de ácido metilsuccínico.

Ilustração da unidade fotoeletroquímica e de hidrogenação acoplada movida a energia solar. O dispositivo acoplado usa luz solar para gerar hidrogênio e consome parte do hidrogênio gerado in situ para hidrogenar matéria-prima derivada de biomassa usando um catalisador homogêneo. O hidrogénio restante pode então ser utilizado para armazenamento de energia, transportes, construção e aplicações industriais. Os produtos hidrogenados são produtos químicos valiosos e muito procurados pelas indústrias química e farmacêutica.

A fracção do hidrogénio utilizada para a reacção de hidrogenação pode ser adaptada à procura, regulando o fornecimento de matéria-prima de biomassa e as concentrações de catalisador em conformidade. Ao alternar entre “Matéria A + Catalisador A” e “Matéria B + Catalisador B”, diferentes produtos de hidrogenação podem ser produzidos na mesma planta PEC

Precisamos de abandonar os combustíveis fósseis o mais rapidamente possível, a fim de limitar o aquecimento global. No sistema energético do futuro, o hidrogénio verde desempenhará, portanto, um papel importante no armazenamento de energia e como matéria-prima renovável para a produção de produtos químicos e materiais para uma vasta gama de aplicações. Actualmente, o hidrogénio é produzido principalmente a partir de gás natural fóssil (hidrogénio “cinzento”). O hidrogénio “verde”, por outro lado, é produzido através da eletrólise da água utilizando energia renovável.

Uma abordagem promissora é usar dispositivos fotoeletroquímicos (PEC) para produzir hidrogênio usando energia solar. No entanto, o hidrogénio das centrais PEC é muito mais caro do que o hidrogénio do metano (fóssil).

Usina torna-se lucrativa com 11% de hidrogênio para MAS

Com uma eficiência global realista da planta PEC de 10% e tendo em conta os custos primários, bem como a operação, manutenção e desmantelamento, a produção de hidrogénio puro continua a ser demasiado cara em comparação com a produção a partir de gás fóssil. Isto é verdade mesmo que se assuma que a vida útil da central PEC seja de 40 anos. Este equilíbrio muda se a reação PEC for acoplada ao processo de hidrogenação. Mesmo que apenas 11 por cento do hidrogénio produzido seja convertido em MSA, o custo do hidrogénio cai para 1,5 euros por quilograma, o que já está ao mesmo nível do hidrogénio proveniente da reforma a vapor do metano. E isto é verdade mesmo para uma vida útil da planta PEC de apenas 5 anos! Como o preço de mercado do MSA é significativamente superior ao do hidrogénio, mais MSA aumenta a rentabilidade. No experimento, entre 11 e até 60 por cento do hidrogênio poderia ser usado seletivamente para produzir MSA. Além disso, um estudo anterior mostrou que a coprodução de MSA também reduz o chamado tempo de retorno de energia, ou seja, o tempo que a planta leva para recuperar a energia que sua produção consumiu.