Podemos produzir hidrogénio a partir da água e da luz solar?

A divisão da água em hidrogénio e oxigénio utilizando a energia solar é uma promessa de combustível verdadeiramente renovável & mas até agora, não era possível fazê-lo fora do laboratório.

Em artigos para a revista Frontiers in Science, especialistas de renome neste domínio descrevem novos avanços cruciais que poderão tornar a produção solar de hidrogénio uma realidade e apelam a mais investigação e ao desenvolvimento de normas e regulamentos para que o combustível verde passe de uma prova de conceito a uma solução prática.

No futuro, poderemos abastecer o mundo com luz solar e água & utilizando a luz solar para obter combustível de hidrogénio a partir de H2O. Atualmente, a maior parte do hidrogénio utilizado como matéria-prima e combustível é derivado do gás natural, pelo que não nos ajuda a eliminar os combustíveis fósseis.

Mas os cientistas japoneses estão a liderar o caminho para um futuro movido a hidrogénio, com novas folhas fotocatalíticas de fácil fabrico e um reator de painel de prova de conceito que mostra que é possível refinar o combustível hidrogénio a partir da água à escala.

“A separação da água pela luz solar com recurso a fotocatalisadores é uma tecnologia ideal para a conversão e armazenamento de energia solar em energia química e os recentes desenvolvimentos em materiais e sistemas fotocatalíticos permitem esperar a sua concretização”, afirma o Professor Kazunari Domen da Universidade de Shinshu, autor sénior do artigo na Frontiers in Science. “No entanto, subsistem muitos desafios”, ressalva.

💥️Energia a vapor para o século XXI

Para utilizar a luz solar para dividir a água em oxigénio e hidrogénio, são necessários fotocatalisadores. Sob a luz, estes catalisadores promovem reações químicas que dividem a água. Nos sistemas de excitação numa só fase, o fotocatalisador decompõe a água em hidrogénio e oxigénio.

Estes sistemas são simples mas ineficientes, com uma taxa de conversão de energia solar em hidrogénio muito baixa. Atualmente, os sistemas de excitação em duas fases são mais eficientes, em que um fotocatalisador transforma a água em hidrogénio e o outro transforma a água em oxigénio.

“Obviamente, a tecnologia de conversão da energia solar não pode funcionar à noite ou com mau tempo”, afirma Takashi Hisatomi da Universidade de Shinshu, primeiro autor do estudo. “Mas ao armazenar a energia da luz solar como energia química dos materiais combustíveis, é possível utilizar a energia em qualquer altura e em qualquer lugar”, adianta

Estes sistemas têm uma taxa de conversão de energia solar em hidrogénio mais elevada & mas ainda não estão prontos a ser utilizados. Temos de identificar os fotocatalisadores mais eficazes e sustentáveis, que devem ser suficientemente robustos para tolerar operações diárias de arranque e paragem à medida que o sol nasce e se põe.

Também precisamos de aumentar a eficiência da conversão tanto quanto possível, para minimizar a quantidade de espaço físico necessário para um reator e tornar o seu funcionamento rentável & neste momento, utilizar gás natural para refinar o combustível hidrogénio ainda é mais barato.

Um outro problema é que muitos métodos de separação do oxigénio e do hidrogénio produzem oxi-hidrogénio, que é altamente explosivo. Este risco pode ser eliminado produzindo o oxigénio e o hidrogénio separadamente, ou gerido utilizando os critérios de conceção identificados pela equipa de Domen e Hisatomi.

Através de experiências com oxi-hidrogénio, determinaram que se o gás for inflamado num compartimento pequeno e estreito, não explode. Os materiais também são importantes: o plástico PVC macio não explode de forma destrutiva se o oxidrogénio se inflamar.

💥️O futuro do combustível

A equipa de Domen e Hisatomi já produziu uma prova de conceito bem sucedida, fazendo funcionar um reator de 100 m2 durante três anos. Este reator teve até um melhor desempenho face à luz solar do mundo real do que em condições laboratoriais.

“No nosso sistema, que utiliza um fotocatalisador sensível aos raios ultravioleta, a eficiência de conversão da energia solar foi cerca de uma vez e meia superior sob luz solar natural”, afirma Hisatomi.

“A luz solar padrão simulada utiliza um espetro de uma região de latitude ligeiramente elevada. Numa área onde a luz solar natural tem mais componentes de comprimento de onda curto do que a luz solar de referência simulada, a eficiência da conversão de energia solar pode ser mais elevada. No entanto, atualmente, a eficiência sob luz solar padrão simulada é de 1%, na melhor das hipóteses, e não atingirá 5% de eficiência sob luz solar natural”, explica.

Para fazer avançar a tecnologia e ultrapassar a barreira dos 5%, a equipa afirma que é necessário que mais investigadores desenvolvam fotocatalisadores mais eficientes e construam reatores experimentais de maiores dimensões. São necessárias mais experiências no mundo real para desenvolver a tecnologia até ao ponto em que o hidrogénio seja uma opção de combustível viável.

Neste contexto, a equipa salienta a necessidade de instituir regulamentos de segurança e normas de eficiência. Um organismo de acreditação e licenciamento ajudaria a garantir o desenvolvimento seguro da tecnologia, enquanto métodos normalizados para determinar a eficiência ajudariam a identificar os sistemas mais eficazes.

“O aspeto mais importante a desenvolver é a eficiência da conversão da energia solar em energia química pelos fotocatalisadores”, explica Domen.

“Se for melhorada para um nível prático, muitos investigadores trabalharão seriamente no desenvolvimento de tecnologia de produção em massa e de processos de separação de gases, bem como na construção de instalações em grande escala. Isto também mudará a forma como muitas pessoas, incluindo os decisores políticos, pensam sobre a conversão da energia solar e acelerará o desenvolvimento de infra-estruturas, leis e regulamentos relacionados com os combustíveis solares”, conclui.

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