Impacto da qualidade da água no consumo de energia na produção de hidrogênio eletrolítico PEM

A tecnologia de eletrólise por membrana de troca de prótons (PEM) tornou-se um dos métodos mais populares devido à sua alta eficiência, alta densidade de corrente, ampla adaptabilidade à temperatura e rápida velocidade de resposta. Embora a maioria das pesquisas se concentre na demonstração de eletrolisadores PEM, no desenvolvimento de novos catalisadores ou em melhorias em membranas de troca de prótons, a otimização do sistema e da água de alimentação continua sendo um desafio crítico. Portanto, este estudo enfatiza o impacto dos parâmetros de qualidade da água – incluindo pH, sólidos totais dissolvidos (SDT) e condutividade – no consumo de energia dos eletrolisadores PEM para otimizar a produção de hidrogênio. Esses parâmetros são frequentemente inter-relacionados e influenciam o desempenho da eletrólise.

O princípio de funcionamento de um Eletrólisador PEM Envolve a decomposição eletroquímica da água em hidrogênio e oxigênio nos eletrodos. Como a água é o principal meio de reação, sua qualidade afeta diretamente a eficiência da eletrólise e o consumo de energia. Os principais fatores de qualidade da água incluem pH, TDS e condutividade. Por exemplo, o pH pode alterar o potencial de reação de redução de oxigênio, afetando assim o consumo de energia, mas níveis extremos de pH podem causar degradação da membrana. Baixa condutividade pode ajudar a reduzir o consumo de energia, mas condutividade excessivamente alta pode danificar a membrana. O TDS está relacionado à condutividade da água e pode causar problemas de incrustação. A Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM) recomenda o uso de água deionizada Tipo I (carbono orgânico total). <50 ppb, resistividade >1 MΩ·cm, sódio e cloro <5 µg/L). No entanto, as fontes de água reais frequentemente contêm impurezas, aumentando os custos de purificação. Estudos mostram que não há produção de hidrogênio quando o TDS é zero, enquanto altos níveis de TDS (0–2000 ppm) ajudam a aumentar a produção.

1. Impacto do pH na produção de gás e no consumo de energia

A eficiência da eletrólise da água por PEM para a produção de hidrogênio (incluindo a produção de gás e o consumo de energia) está intimamente relacionada ao pH do eletrólito. O principal requisito é que o pH permaneça dentro da "faixa ideal" projetada para o sistema de eletrólise. Desvios dessa faixa (muito ácido ou muito alcalino) reduzirão significativamente o desempenho do sistema. Ambientes excessivamente ácidos ou alcalinos podem desviar os catalisadores de suas condições ideais de trabalho, reduzir sua atividade química ou até mesmo causar danos estruturais, levando a taxas mais lentas de reação de evolução de hidrogênio (HER) e reação de evolução de oxigênio (OER). Além disso, condições extremas de pH podem afetar o estado de hidratação e a estabilidade química da membrana de troca de prótons (PEM), dificultando o transporte eficiente de H⁺ e causando "interrupções no fornecimento" de reagentes. Um ambiente excessivamente ácido pode corroer os eletrodos e levar à formação de depósitos que recobrem os sítios ativos, enquanto um ambiente excessivamente alcalino pode causar precipitação de impurezas, não apenas aumentando o desperdício de energia, mas também inibindo ainda mais a geração de gás, resultando na redução da produção de gás.

2. Impacto dos Sólidos Totais Dissolvidos (STD) na Produção de Gás e no Consumo de Energia

O TDS refere-se à concentração total de substâncias inorgânicas e orgânicas dissolvidas na água e é um indicador fundamental para avaliar a qualidade da água. A produção de gás aumenta com concentrações mais altas de TDS, pois altos níveis de TDS podem atuar como um catalisador para promover a formação de hidrogênio. Por outro lado, baixos níveis de TDS resultam em produção limitada de gás, e nenhum hidrogênio é produzido quando o TDS é zero.

O TDS impacta significativamente o consumo de energia. Altos níveis de TDS aumentam a condutividade da água, mas elevam a voltagem do eletrolisador, resultando em maior consumo de energia. Ao mesmo tempo, o TDS pode causar incrustações em eletrodos ou membranas, reduzindo a eficiência. Para mitigar esses efeitos, tecnologias de tratamento de água (como osmose reversa ou deionização) são recomendadas para reduzir o TDS e otimizar o consumo de energia.

3. Impacto da condutividade na produção de gás

A condutividade é outro parâmetro importante que reflete a concentração de íons na água. Alta condutividade pode reduzir o sobrepotencial da reação de redução de oxigênio do ânodo (REA), diminuindo a demanda de energia. No entanto, condutividade excessivamente alta aumenta o risco de deterioração da membrana e o consumo de energia de bombeamento.

4. Impacto das diferentes qualidades da água no consumo de energia

Uma comparação dos efeitos da água do mar, água de poço e água deionizada em eletrolisadores PEM:

• Água do mar: sais e minerais altamente dissolvidos aumentam a condutividade, mas também aumentam a resistência, exigindo maior voltagem e levando ao aumento do consumo de energia.

• ​​Água de poço: menos substâncias dissolvidas geralmente resultam em menor consumo de energia do que a água do mar, mas a incerteza na composição mineral apresenta desafios.

• Água deionizada: a baixa condutividade reduz a resistência e melhora a eficiência energética, mas a falta de íons necessários exige uso cauteloso com base no projeto do sistema.

​​5. Importância da Gestão da Qualidade da Água

A eletrólise da água por PEM geralmente se concentra no próprio eletrolisador, mas os sistemas auxiliares (BOP), particularmente o gerenciamento da água de alimentação, são igualmente críticos. A otimização dos parâmetros de qualidade da água (pH, TDS, condutividade) não só aumenta a eficiência e a produção de gás, como também prolonga a vida útil do equipamento. Embora o BOP para sistemas PEM seja mais simples do que o de sistemas alcalinos, o controle da qualidade da água pura continua sendo um fator-chave para alcançar uma operação eficiente e estável.