Tendências no desenvolvimento da energia do hidrogênio
Energia de hidrogênioé uma fonte de energia secundária abundante, verde, de baixo carbono e amplamente aplicável. Está gradualmente se tornando uma das transportadoras importantes na transição energética global. A China é o maior produtor de hidrogênio do mundo, tendo dominado inicialmente as principais tecnologias e processos relacionados à produção, armazenamento, transporte e reabastecimento de hidrogênio, formando assim uma cadeia industrial de energia de hidrogênio relativamente completa. Nos últimos anos, a indústria de energia de hidrogênio da China se desenvolveu rapidamente, atraindo vários participantes e produzindo uma série de empresas bem conhecidas com forte poder competitivo. Atualmente, as empresas líderes do setor estabeleceram vantagens competitivas por meio do aprimoramento da pesquisa e desenvolvimento tecnológico, simplificando os elos da cadeia industrial, construindo redes de vendas e cultivando talentos profissionais.
No futuro, à medida que a indústria de energia de hidrogênio continua a evoluir, as demandas dos clientes pela produção de hidrogênio aumentarão cada vez mais, levando a uma consolidação mais forte da indústria. A participação de mercado das empresas líderes aumentará gradualmente, e as barreiras à entrada no setor de energia de hidrogênio se tornarão mais pronunciadas. Para atingir as metas de pico de carbono e neutralidade de carbono, a China posicionou a energia de hidrogênio como uma parte importante de seu futuro sistema nacional de energia, um veículo essencial para alcançar a transformação verde e de baixo carbono em terminais de uso final de energia e um ponto focal para indústrias emergentes estratégicas e desenvolvimento industrial futuro.
Em resposta às políticas nacionais, as empresas estão praticando ativamente a estratégia de carbono duplo, empregando tecnologias maduras para garantir uma operação de ciclo longo, estável e confiável. A eletrólise de água alcalina para produção de hidrogênio depende principalmente da tecnologia para capturar o mercado, da qualidade para consolidá-lo e do serviço para expandi-lo. Impulsionada pela demanda do mercado, liderada pela tecnologia e focada na qualidade para reputação, com a inovação como o caminho para o desenvolvimento, a indústria visa realmente atingir zero emissões e poluição, longa vida útil, monitoramento e operação digitais, segurança e modos de operação não tripulados, com excelente qualidade, fornecimento oportuno, preços razoáveis e serviço de primeira linha.
A energia de hidrogênio ostenta vantagens como poluição zero, alto valor calorífico e versatilidade em armazenamento e aplicação. A eletrólise da água pode utilizar energia renovável e eletricidade flutuante excedente para produzir hidrogênio, tornando-a um dos métodos mais ideais e ecologicamente corretos para a produção de hidrogênio. Portanto, o desenvolvimento da eletrólise de energia renovável para produção de hidrogênio é significativo para a segurança energética e redução de CO2. No entanto, atualmente, apenas 4% do hidrogênio globalmente é produzido por meio da eletrólise da água, principalmente devido aos altos custos associados a esse método, onde o consumo de eletricidade e os custos do eletrolisador são as principais restrições à aplicação em larga escala.
Sob o ímpeto das metas de carbono duplo, espera-se que os avanços nas tecnologias de geração de energia renovável reduzam os preços da eletricidade, servindo como um poderoso catalisador para o desenvolvimento da indústria de produção de hidrogênio por eletrólise de água. A tecnologia de eletrólise alcalina está ganhando atenção por seu baixo custo, longa vida útil e abundantes fontes de material, tornando-a adequada para produção de hidrogênio em larga escala. No entanto, em aplicações de produção de hidrogênio em larga escala, ainda é necessário aumentar ainda mais a densidade de corrente e a eficiência energética da tecnologia de eletrólise alcalina para melhorar seu equipamento e custo de eletricidade. Os materiais da membrana e do eletrodo desempenham um papel crucial e insubstituível neste processo.
Perspectivas futuras para a tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água
O custo da produção de hidrogênio por eletrólise da água depende principalmente dos custos de eletricidade, custos de investimento do eletrolisador e cargas operacionais, com os custos de eletricidade influenciando a sensibilidade da produção de hidrogênio em até 60-70%. À medida que os custos de eletricidade diminuem, a proporção dos custos de investimento em equipamentos aumentará gradualmente. Os futuros impulsionadores da redução de custos resultarão principalmente de preços mais baixos de eletricidade, maiores taxas de utilização de equipamentos e avanços tecnológicos para reduzir os custos do eletrolisador. No entanto, como a tecnologia do eletrolisador alcalino já está muito madura, a extensão em que os custos podem ser reduzidos por meio da inovação tecnológica é limitada. Com o desenvolvimento industrial adicional, os cenários de aplicação futuros continuarão a se ampliar, e o consumo de larga escala, baixo custo e baixo consumo de energia são reconhecidos como consenso para o desenvolvimento industrial.
Classificação de Rotas Tecnológicas para Produção de Hidrogênio por Eletrólise de Água
Existem quatro principais rotas tecnológicas para a produção de hidrogênio por meio da eletrólise da água: eletrólise alcalina da água (ALK), eletrólise da água por membrana de troca de prótons (PEM), eletrólise de óxido sólido (SOEC) e eletrólise da água por membrana de troca aniônica (AEM).
Eletrólise Alcalina (ALK): Este processo é realizado em uma solução eletrolítica alcalina (normalmente KOH), onde os íons OH- passam através da membrana até o ânodo, perdendo elétrons para produzir O2, enquanto a água no cátodo ganha elétrons para produzir H2 e OH-.
Eletrólise de membrana de troca de prótons (PEM): Este método eletrolisa água pura, onde moléculas de H2O são oxidadas no ânodo para gerar oxigênio e íons H+. O H+ (prótons) migra através da membrana de troca de prótons para o cátodo sob a influência do campo elétrico e sofre uma reação de redução para gerar gás hidrogênio.
Eletrólise de Óxido Sólido (SOEC):Este processo envolve a ionização de vapor de água para gerar íons de hidrogênio e oxigênio em altas temperaturas, normalmente acima de 600 °C, tornando-o adequado para produzir vapor de alta temperatura e alta pressão em sistemas de energia solar térmica.
Eletrólise de membrana de troca aniônica (AEM): Este processo geralmente usa água pura ou solução alcalina de baixa concentração como eletrólito, onde os íons OH- passam pela membrana de troca para chegar ao ânodo e gerar água e oxigênio, enquanto as moléculas de água no cátodo produzem OH- e gás hidrogênio.
Comparação de rotas de processos de produção de hidrogênio
Cada método tem seus pontos fortes e limitações:
Eletrólise Alcalina (ALK)
Vantagens:Atualmente a tecnologia mais madura com baixos custos de equipamento.
Limitações: Líquido corrosivo; altos custos de operação e manutenção; eficiência teórica menor que a de PEM e SOEC; difícil de aplicar em fontes de energia intermitentes.
Eletrólise de membrana de troca de prótons (PEM)
Vantagens: Alta adaptabilidade a fontes de energia intermitentes, fácil integração com energias renováveis como eólica e solar; baixos custos de operação e manutenção.
Limitações: Altos custos de equipamento; requer catalisadores de metais preciosos.
Eletrólise de Óxido Sólido (SOEC)
Vantagens: Alta eficiência teórica; pode usar catalisadores de metais não preciosos.
Limitações: Ambiente de reação de alta temperatura, cenários de aplicação limitados; ainda em estágio de P&D em laboratório e ainda não comercializado.
Eletrólise de membrana de troca aniônica (AEM)
Vantagens: Combina as vantagens do alcalino e do PEM: baixo custo de material; baixa corrosividade do eletrólito (solução alcalina diluída ou água); não requer catalisadores de metais preciosos.
Limitações: Dificuldades na produção em massa de membranas de troca aniônica, ainda em fase de P&D.
A rota de eletrólise alcalina está madura, a PEM mostra forte potencial de crescimento, enquanto a SOEC e a AEM têm potencial futuro promissor.
