Pesquisadores brasileiros inovam e patenteiam técnica que torna a produção de hidrogênio mais barata e eficiente
A nova metodologia otimiza a produção de hidrogênio de alta pureza em eletrolisadores de menor custo, trazendo benefícios para diversos setores. Fonte: Imagem adaptada de Freepik.

Pesquisadores brasileiros inovam e patenteiam técnica que torna a produção de hidrogênio mais barata e eficiente

Pesquisadores do Centro de Estudos de Carbono em Agricultura Tropical (CCARBON) e do Centro de Pesquisa para Inovação em Gases de Efeito Estufa (RCGI) criaram uma técnica inovadora para acompanhar a produção de hidrogênio em eletrolisadores. A nova metodologia, patenteada no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI), reduz custos e simplifica o controle da pureza do hidrogênio gerado. Essa inovação pode baratear a produção de hidrogênio verde, um combustível limpo que não emite gases de efeito estufa se produzido com energia renovável.

Eletrolisadores são dispositivos que realizam a eletrólise da água (H₂O), um processo químico que divide a molécula em seus dois componentes gasosos básicos: hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂). Isso é feito ao aplicar uma corrente elétrica em um eletrólito (meio condutor onde os íons se movem), permitindo sua separação simultânea. Embora a eletrólise seja usada para produção de hidrogênio em indústrias químicas e alimentícias, o emprego desses eletrolisadores tem se tornado cada vez mais relevante em iniciativas voltadas para a sustentabilidade.

A razão disso está na capacidade dos reatores em produzir hidrogênio verde quando a eletricidade utilizada no processo vem de fontes renováveis, como energia solar, eólica, ou de biomassa. O hidrogênio verde é uma alternativa aos combustíveis fósseis e pode ser usado em veículos, indústrias e sistemas de geração de energia, contribuindo para a descarbonização do planeta. No entanto, há diferentes tecnologias nos eletrolisadores para separação dos gases gerados durante a eletrólise e cada uma tem seu próprio conjunto de vantagens, incluindo eficiência, condições operacionais, custo e escalabilidade.

Equipamentos que utilizam membranas como eletrólito, que funcionam como barreiras físicas para separar os gases, são eficientes, mas apresentam custos muito elevados de fabricação e durabilidade baixa. Por outro lado, eletrolisadores sem membrana oferecem vantagens econômicas ao separar os gases pelo escoamento controlado do eletrólito, um líquido condutor que direciona o H₂ e O₂ para saídas distintas. Apesar disso, esses sistemas enfrentam desafios relacionados à pureza dos produtos.

Durante o processo de eletrólise, bolhas de gás de H₂ e O₂ são formadas e transportadas pelo fluxo do eletrólito. Para garantir hidrogênio de alta pureza, é fundamental evitar que essas bolhas se misturem. Baseado nisso, são comumente usados métodos de análise de imagem do fluido como forma de monitorar o escoamento das bolhas, porém as técnicas existentes apresentam limitações e falham quando a concentração de bolhas é elevada, comprometendo a separação eficiente dos gases. É nesse cenário que a nova técnica desenvolvida pelos pesquisadores do CCARBON e RCGI se destaca. 

Baseada na análise de imagem com fluxos ópticos (optical flow), a nova metodologia permite acompanhar o movimento das bolhas no líquido em tempo real, mesmo em altas concentrações. “Optical flow é usado para o monitoramento de qualquer movimentação que provoque o deslocamento do pixel na imagem, como identificar carros em rodovias ou rastrear pessoas em câmeras de segurança. No RCGI, temos utilizado em pesquisas variadas, como rastrear o escoamento em tanques de petróleo, avaliar bombas cardíacas e analisar a formação de redemoinhos em Marte”, conta Rodrigo de Lima Amaral, pesquisador vinculado ao RCGI.

A inovação permite medir a velocidade das bolhas sem a necessidade de identificá-las individualmente, mesmo quando estão próximas ou aglomeradas. Por analisar pixel a pixel das imagens do fluxo do eletrólito por todo o reator, a técnica aprimora o controle do processo e reduz custos operacionais. Essa abordagem torna os eletrolisadores sem membrana mais viáveis para a produção de hidrogênio verde, o que beneficia inúmeros profissionais, incluindo indústrias e empresas de energia e sustentabilidade.

Confira a patente e saiba mais em: 

  1. Banco de Patentes da Agência USP de Inovação: http://www.patentes.usp.br/tech?title=M%C3%89TODO_DE_MONITORAMENTO_DE_ESCOAMENTO_DE_BOLHAS_EM_UM_ELETROLISADOR_A_PARTIR_DE_MEDI%C3%87%C3%95ES_DE_IMAGEM_DE_SOMBRA_E_OPTICAL_FLOW;
  2. Notícia publicada pela Agência FAPESP: https://agencia.fapesp.br/metodo-permite-monitorar-a-producao-de-hidrogenio-em-reatores/53409. 

Brazilian researchers innovate and patent technique to make hydrogen production cheaper and more efficient

Researchers from the Center for Carbon Studies in Tropical Agriculture (CCARBON) and the Research Center for Innovation in Greenhouse Gases (RCGI) have pioneered a novel method to monitor hydrogen production in electrolyzers. The new methodology, patented at the National Institute of Industrial Property (INPI), reduces costs and simplifies the control of the purity of the hydrogen produced. This innovation could lower the cost of green hydrogen production, a clean fuel that emits no greenhouse gases when produced with renewable energy.

Electrolyzers are specialized devices used for water (H₂O) electrolysis, a chemical process that splits the molecule into its two basic gaseous components: hydrogen (H₂) and oxygen (O₂). This is achieved by applying an electric current to an electrolyte (a conductive material enabling ion transfer), allowing their simultaneous separation. Although electrolysis is used for hydrogen production in chemical and food industries, the use of these electrolyzers has become increasingly relevant in sustainability initiatives.

This is attributed to the reactor's potential to produce green hydrogen when the electricity used in the process comes from renewable sources, including solar, wind and biomass energy. Green hydrogen is an alternative to fossil fuels and can be used in vehicles, industries, and energy generation systems, supporting the reduction of global carbon emissions. However, different technologies in electrolyzers for separating gases produced during electrolysis have their own distinct advantages, including efficiency, operating conditions, cost and scalability.

Equipment that uses membranes as electrolytes, which act as physical barriers to separate the gases, are efficient but have very high manufacturing costs and limited durability. On the other hand, electrolyzers without membranes have economic advantages by separating gases through the controlled flow of an electrolyte, a conductive liquid that directs H₂ and O₂ to distinct exits. Still, these systems face difficulties related to product purity.

During the electrolysis process, gas bubbles of H₂ and O₂ are formed and transported by the electrolyte flow. To ensure high-purity hydrogen, it is essential to prevent the mixing of these bubbles. Methods of fluid image analysis are commonly used to monitor bubble flow, but existing techniques have limitations and fail when bubble concentrations are high, compromising the efficient separation of gases. It is in this scenario that the new technique developed by CCARBON and RCGI researchers offers a significant improvement.

Based on image analysis using optical flow, the new methodology enables real-time monitoring of bubble movement in the liquid even at high concentrations. “Optical flow is used to track any movement that causes pixel displacement in an image, such as detecting cars on highways or following people in security cameras. At RCGI, we have applied it in various research projects, like tracking flow in oil tanks, evaluating heart pumps, and analyzing vortex formation on Mars,” says Rodrigo de Lima Amaral, a researcher at RCGI.

The innovation measures bubble velocity without needing to identify each one individually, even when they are close or grouped together. By analyzing the electrolyte flow images pixel by pixel throughout the reactor, the technique enhances process control and reduces operational costs. This approach makes electrolyzers without membranes more viable for green hydrogen production, benefiting numerous professionals, including industries and energy and sustainability sectors.

 

Check out the patent and learn more at: 

  1. USP Innovation Agency Patent Database: http://www.patentes.usp.br/tech?title=M%C3%89TODO_DE_MONITORAMENTO_DE_ESCOAMENTO_DE_BOLHAS_EM_UM_ELETROLISADOR_A_PARTIR_DE_MEDI%C3%87%C3%95ES_DE_IMAGEM_DE_SOMBRA_E_OPTICAL_FLOW
  2. News published by FAPESP Agency: https://agencia.fapesp.br/metodo-permite-monitorar-a-producao-de-hidrogenio-em-reatores/53409.

Texto por Milena Rossales Castro.