No entanto, o mercado como um todo tende a dar menos prioridade à inovação em materiais e componentes. Este artigo irá abordar algumas prioridades críticas de materiais e componentes para as principais tecnologias de eletrolisadores, com base nos dados do relatório da IDTechEx "Materiais para a Produção de Hidrogénio Verde 2024-2034: Tecnologias, Empresas e Previsões".
Eletrolisador de água alcalina (AWE): Novos designs de elétrodos para maior eficiência
O eletrolisador alcalino de água (AWE) é uma tecnologia consolidada e amplamente comercializada que oferece o menor custo de capital do sistema e um desempenho previsível a longo prazo. A pilha de células do AWE utiliza um eletrólito alcalino líquido (hidróxido de potássio, KOH) juntamente com um diafragma poroso e baseia-se em materiais amplamente disponíveis, como o níquel e o aço inoxidável.
Um dos principais desafios da eletrólise aquosa ácida (AWE) é a sua menor eficiência em comparação com o seu principal concorrente: o eletrolisador de membrana de troca de protões (PEMEL). Por conseguinte, os desenvolvedores de tecnologia e materiais para eletrolisadores têm-se concentrado na produção de revestimentos catalíticos de alto desempenho para elétrodos, visando melhorar a eficiência da conversão de água em hidrogénio e oxigénio. Os revestimentos de alto desempenho já estão disponíveis comercialmente, mas muitos ainda dependem da utilização de metais do grupo da platina (MGP), como o ruténio, em revestimentos de óxidos mistos.
A investigação sobre revestimentos de elétrodos tem-se concentrado na descoberta e aplicação de novos materiais catalíticos. Entre as estratégias mais promissoras está o acoplamento do níquel tradicional com outros metais de transição e não transição, por exemplo, no NiFeCoP. Além disso, a utilização de elétrodos porosos, como as malhas de níquel, pode ser particularmente bem acoplada a estes tipos de revestimentos, produzindo catalisadores altamente nanoestruturados que oferecem grandes áreas de superfície para as reações.
A pressão destes elétrodos contra o diafragma poroso pode melhorar ainda mais a eficiência devido à menor distância que as espécies químicas têm de percorrer entre os locais de reação. Esta configuração, conhecida como célula sem vazios, é já muito utilizada em sistemas AWE comerciais. A De Nora é um dos fabricantes de componentes para células sem vazios e revestimentos avançados para elétrodos, e colabora com fornecedores consolidados de AWE, como a McPhy Energy e a thyssenkrupp nucera. A IDTechEx prevê que a combinação destas estratégias de design de materiais e componentes possa melhorar ainda mais a eficiência da AWE, mas são necessários mais esforços comerciais em todos os setores.
Eletrolisador de membrana de troca de protões (PEMEL): reduzindo a necessidade de materiais dispendiosos e críticos
Os eletrolisadores de membrana de troca de protões (PEMELs) estão a ganhar popularidade devido à sua elevada eficiência, design compacto e adaptabilidade a fontes de energia renováveis variáveis. Embora se verifique um movimento no sentido da padronização de materiais nas células de combustível PEMEL, a inovação está longe de estar estagnada, particularmente no desenvolvimento de catalisadores de ânodo.
A platina (Pt) e o irídio (Ir) catalisam as reações eletroquímicas de evolução de hidrogénio e oxigénio que ocorrem no eletrolisador, respetivamente. Os materiais mais modernos utilizados são a platina suportada em negro de carbono (Pt/C) para o cátodo e o negro de irídio (Ir) ou o óxido de irídio (IrOx) para o ânodo. A utilização de irídio no ânodo é particularmente problemática, dado que cargas de corrente de 1 a 2,5 g/kW e a elevada procura dos sistemas PEMEL podem exercer uma pressão significativa sobre o fornecimento global de irídio.
Os fornecedores de catalisadores, como a Heraeus Precious Metals, estão a abordar o problema do irídio combinando-o com ruténio num catalisador de óxido misto (IrRuOx). Dada a necessidade urgente de reduzir a quantidade de irídio, este material poderá estar disponível comercialmente num futuro próximo. Outra estratégia que está a ser explorada tanto na academia como em grupos de I&D empresariais é a utilização de catalisadores de irídio suportados, semelhante à abordagem Pt/C. Além disso, muitas pesquisas estão focadas na eliminação do irídio em favor de outros metais do grupo da platina (MGP), como o ruténio, combinando-o com metais de transição em óxidos mistos. No geral, os catalisadores livres de irídio e de MGP ainda estão numa fase inicial de desenvolvimento. A IDTechEx prevê que serão necessários mais esforços de investigação para demonstrar a sua competitividade e preparar o caminho para a sua ampla adoção comercial.
Outros componentes do eletrolisador PEM, como as camadas de difusão de gás (GDLs) e as placas bipolares, também utilizam revestimentos de metais preciosos, para além de titânio. Ambos poderão tornar-se mais problemáticos no futuro, pelo que muitas empresas estão a explorar novos métodos de fabrico e revestimento para reduzir a sua dependência destes materiais. Para mais informações, consulte o artigo de investigação anterior da IDTechEx sobre materiais para eletrolisadores PEM.
Prioridades de inovação em materiais e componentes para eletrolisadores. Fonte: IDTechEx
Eletrolisador de membranas de permuta aniónica (AEMEL): potenciando as membranas e evitando materiais críticos
O eletrolisador de membrana de troca aniónica (AEMEL) é uma tecnologia relativamente recente, mas em rápida expansão, que visa combinar o melhor das tecnologias alcalinas e PEM. O AEMEL procura unir a abundância de materiais da eletrólise alcalina da água (AWE) com a elevada eficiência característica da PEMEL. Esta tecnologia está a experimentar um rápido crescimento e inovação, exemplificados por empresas como a Enapter, que estão na vanguarda dos sistemas comerciais à escala de megawatts.
A IDTechEx observou que muitos grupos de investigação que estudam a tecnologia AEMEL continuam a utilizar catalisadores à base de platina-irídio nos seus elétrodos. Um objetivo fundamental para a indústria e para os novos participantes comerciais deve ser eliminar completamente a utilização de metais do grupo da platina (PGMs) e optar por catalisadores nanoestruturados de alto desempenho utilizados na área da eletrólise de água assimétrica (AWE). Além disso, esta tecnologia poderá beneficiar da aplicação de elétrodos de difusão de gás (GDEs), que combinam a camada de difusão de gás com o elétrodo num único componente.
Outro desafio reside na grande variedade de materiais utilizados nas membranas de permuta aniónica (AEMs) e, consequentemente, no seu desempenho e durabilidade. As AEM podem beneficiar de algumas das estratégias observadas nas membranas de troca protónica (PEMs), como a reticulação das cadeias poliméricas e a utilização de camadas de suporte (por exemplo, PTFE) sobre as quais a AEM pode ser revestida. A variação de materiais irá provavelmente persistir, mas os desenvolvedores de AEMEL podem inspirar-se nos avanços atuais nas tecnologias AWE e PEMEL, aplicando-os aos seus próprios projetos de células e conjuntos de células.
Eletrolisador de óxido sólido (SOEC): estrutura da célula otimizada para um elevado desempenho e baixa degradação
O eletrolisador de óxido sólido (SOEC) é também uma tecnologia relativamente nova no panorama da eletrólise, com uma menor presença no mercado em comparação com a AWE e a PEMEL. O SOEC opera a temperaturas muito mais elevadas (>600 °C) do que as tecnologias de baixa temperatura mencionadas anteriormente (50–90 °C) e, por conseguinte, requer materiais e abordagens de design muito diferentes.
A tecnologia SOEC tem beneficiado enormemente dos avanços nos materiais provenientes da tecnologia de células de combustível de óxido sólido (SOFC), dado que a maioria das SOECs são concebidas para operar de forma reversível, tanto como eletrolisador (SOEC) como célula de combustível (SOFC). Embora alguns componentes cerâmicos já estejam consolidados na tecnologia, o desenvolvimento de novos materiais e conjuntos elétrodo-eletrólito em SOECs é uma área promissora para a inovação.
As prioridades de inovação incluem a utilização de eletrólitos que permitam temperaturas de funcionamento mais baixas, o que pode proporcionar estabilidade a longo prazo e vantagens de custo. Entre eles está a céria dopada com gadolínio (GDC), já utilizada em algumas baterias comerciais, como exemplificado por empresas como a Ceres Power. Outro aspeto fundamental é a utilização de células com suporte metálico (MSCs), devido a diversas vantagens inerentes em relação às células com suporte de elétrodo ou eletrólito, mais comuns nas baterias comerciais. Estas vantagens incluem custos de material reduzidos e maior capacidade de suportar ciclos térmicos e stress mecânico. Além disso, estão em curso esforços significativos para melhorar a compatibilidade térmica e química dos materiais das células com interligações, camadas de contacto e selantes.
Materiais mais avançados poderão ser adotados para as baterias SOEC no futuro. De um modo geral, é utilizada uma vasta gama de materiais nas baterias SOEC, o que realça não só a diversidade da tecnologia, mas também o potencial de inovação em materiais para estes eletrolisadores de alta temperatura.
Perspetivas de mercado e estratégias
Os desenvolvedores de tecnologias e materiais para eletrolisadores enfrentam inúmeros desafios, muitos dos quais inter-relacionados. Por exemplo, a redução da espessura da membrana de troca de protões ou de aniões pode aumentar a eficiência, mas também reduzir a durabilidade da membrana. Por outro lado, aumentar a durabilidade através de materiais e técnicas de fabrico avançadas eleva os custos de produção. Consequentemente, não existe uma única abordagem ideal para a inovação de materiais e componentes. No entanto, este processo de otimização abre oportunidades de negócio significativas para o desenvolvimento de materiais mais sofisticados para eletrolisadores.
Autor: Chingis Idrissov, analista de tecnologia da IDTechEx
