Tecnologia de produção de hidrogênio de alta eficiência - Célula eletrolítica de óxido sólido de alta temperatura

A célula de eletrólise de óxido sólido de alta temperatura (SOEC) é um dispositivo de conversão de energia altamente eficiente, rápido e flexível. Ao introduzir diferentes matérias-primas, ela pode produzir diversos produtos, possibilitando o desenvolvimento de sintetizadores eletroquímicos multifuncionais. Pode ser conectada a fontes de energia limpa, como a geração de energia eólica e fotovoltaica. Sua aplicação mais comum é a eletrólise de vapor para a produção de hidrogênio. Comparada às principais tecnologias de eletrólise da água, como a eletrólise alcalina (ALK) e a eletrólise de vapor, a SOEC apresenta um desempenho superior em termos de eficiência energética. Membrana de troca de prótons A eletrólise de óxido sólido (SOEC), por meio de membrana de troca de prótons (PEM), oferece diversas vantagens: maior eficiência (até 85%), reversibilidade e a capacidade de utilizar o calor residual de alta qualidade dos produtos gerados. A célula de eletrólise de óxido sólido (SOEC) converte energia elétrica e térmica em energia química. Em princípio, a SOEC opera como o processo inverso de uma célula a combustível de óxido sólido (SOFC). Como mostrado na Figura 1, a SOEC consiste em uma camada densa de eletrólito no meio, eletrodos porosos em ambos os lados e canais de gás externos aos eletrodos para o fornecimento de gases reagentes e remoção de gases de produto, permitindo o transporte e a distribuição eficientes de gases. Quando uma tensão de corrente contínua (CC) é aplicada aos eletrodos em altas temperaturas (600–900 °C), as moléculas de vapor de água (H₂O) são separadas no cátodo em prótons (H⁺) e íons de oxigênio (O²⁻). Os íons O²⁻ migram através da camada de eletrólito de óxido sólido até o ânodo, onde liberam elétrons (e⁻) e formam moléculas de oxigênio (O₂).

Os elétrons são conduzidos através da interconexão até o cátodo, onde se combinam com H⁺ para formar moléculas de hidrogênio (H₂). A produção de hidrogênio por SOEC, ou seja, a produção de hidrogênio baseada em células de eletrólise de óxido sólido, é um processo que utiliza a condutividade iônica de membranas de eletrólito de óxido sólido para separar a água em hidrogênio e oxigênio em altas temperaturas. Os produtos podem ser amplamente aplicados em indústrias como siderúrgicas, químicas e aeroespaciais. A SOEC também pode ser integrada termicamente a uma variedade de processos de síntese química, permitindo a reciclagem do dióxido de carbono e da água capturados em gás natural sintético, gasolina, metanol ou amônia. Comparada a outras tecnologias de eletrólise da água, a SOEC oferece inúmeras vantagens, incluindo alta eficiência, baixo custo, capacidade de coeletrolise, reversibilidade e adequação a diversos cenários. Operando em altas temperaturas (600–900 °C), a SOEC se beneficia de uma cinética favorável, resultando em alta eficiência de eletrólise. A elevada temperatura de operação reduz o consumo de energia elétrica, com a eficiência geral do sistema para produção de hidrogênio atingindo aproximadamente 85%. Isso representa cerca de 1,5 vezes a eficiência do sistema de eletrólise PEM e o dobro da eficiência total de eletrólise alcalina da águaEm termos de aplicações, as condições de operação em alta temperatura da SOEC tornam-na altamente compatível com cenários que envolvem grande quantidade de calor residual, como usinas químicas a carvão, siderurgia, síntese de amônia e usinas nucleares. A integração do calor residual na operação da SOEC pode complementar o consumo de energia elétrica, melhorando a eficiência elétrica e reduzindo os custos operacionais. Além disso, uma característica distintiva da SOEC em comparação com outras tecnologias é a sua reversibilidade — ela pode alternar de forma flexível entre o modo de eletrólise (SOEC) e o modo de célula a combustível (SOFC).

As células de eletrólise de óxido sólido (SOEC) podem produzir hidrogênio ou gás de síntese para armazenamento de energia em modo de eletrólise ou converter energia química em eletricidade em modo de célula a combustível, criando um sistema sinérgico para produção, armazenamento e geração de energia a partir do hidrogênio ("eletricidade-hidrogênio-eletricidade"). Isso lhes confere um potencial significativo para armazenamento de energia renovável e redução de picos de demanda na rede elétrica, contribuindo para a utilização eficiente e o equilíbrio energético. De modo geral, com os avanços tecnológicos contínuos e a maturação gradual do mercado, espera-se que a produção de hidrogênio por SOEC desempenhe um papel vital no futuro cenário energético, contribuindo para o alcance das metas globais de neutralidade de carbono.