Fonte: sec.ucf.edu
O uso da energia solar para produzir hidrogênio pode ser conduzido por dois processos: eletrólise da água usando eletricidade gerada pela energia solar e separação solar direta da água. Ao considerar a eletricidade gerada pelo sol, quase todo mundo fala sobre eletrólise fotovoltaica. O processo funciona. Na verdade, ele foi demonstrado pela primeira vez no Florida Solar Energy Center em 1983, com financiamento do Centro Espacial Kennedy da NASA. Embora tecnologicamente viável, ainda não é economicamente viável. Além do custo, há a questão de por que usar eletricidade, um portador de energia muito eficiente, para gerar hidrogênio, outro portador de energia, e depois convertê-lo de volta em eletricidade para uso? Em outras palavras, a eletricidade é tão valiosa quanto a eletricidade, nosso portador de energia mais desejável, que podemos não querer usá-la para outra coisa senão isso. Isso é especialmente verdadeiro se a eletricidade for feita de energia fotovoltaica. O PV como fonte de energia corresponde ao pico de carga do ar-condicionado dos serviços públicos' É muito melhor usar eletricidade fotovoltaica como eletricidade, pois é um desperdício usá-la de outra forma.
Quando fará sentido produzir hidrogênio a partir da eletricidade gerada pela energia solar? A resposta é que queremos produzir hidrogênio sempre que a eletricidade não puder ser usada - fora do pico em áreas remotas e durante variações sazonais. O hidrogênio do vento, hidro, geotérmico ou qualquer outra forma de eletricidade gerada pelo sol é valioso quando o recurso não corresponde ao perfil de carga da rede elétrica.
Se a eletricidade solar via célula de combustível de eletrólise PV não faz sentido, o que dizer do hidrogênio eletrolítico de PV? Na verdade, a maior parte da discussão sobre eletrólise fotovoltaica diz respeito à produção de hidrogênio para uso como combustível automotivo. Novamente, esse cenário não parece ser viável. Considere o caso de uma estação de abastecimento de hidrogênio distribuindo 1.000 galões de gasolina por dia, cerca da metade da média nacional. Observe que um galão de gasolina contém quase a mesma quantidade de energia que um quilograma (kg) de hidrogênio. Assim, um posto de abastecimento exigirá cerca de 1.000 kg de hidrogênio por dia. Usando o menor valor de aquecimento do hidrogênio, a energia elétrica necessária para gerar um kg de hidrogênio é 51 kWh (usando uma eficiência do eletrolisador de 65%). Isso significa que 1.000 kg / dia de hidrogênio exigirá 51.000 kWh por dia de eletricidade. A quantidade de PV necessária para fornecer 51.000 kWh pode ser estimada dividindo o kWh por 5 horas / dia. Assim, serão necessários 10.200 kWp ou 10,2 megawatts de energia fotovoltaica para operar uma estação de abastecimento de hidrogênio de 1000 kg / dia. Observe que 1 kWp requer aproximadamente 10 metros quadrados de área para PV com 10% de eficiência.
A segunda categoria, separação solar direta da água, refere-se a qualquer processo no qual a energia solar é usada diretamente para produzir hidrogênio a partir da água sem passar pela etapa intermediária de eletrólise. Exemplos incluem:
divisão fotoeletroquímica da água - esta técnica usa eletrodos semicondutores em uma célula fotoeletroquímica para converter a energia da luz em energia química do hidrogênio. Existem essencialmente dois tipos de sistemas fotoeletroquímicos - um usando semicondutores ou corantes e outro usando complexos de metal dissolvidos.
fotobiológico - envolve a geração de hidrogênio a partir de sistemas biológicos usando a luz solar. Certas algas e bactérias podem produzir hidrogênio em condições adequadas. Os pigmentos das algas absorvem a energia solar e as enzimas na célula atuam como catalisadores para dividir a água em seus constituintes de hidrogênio e oxigênio.
ciclos termoquímicos de alta temperatura - esses ciclos utilizam o calor solar para produzir hidrogênio pela divisão da água usando etapas termoquímicas.
gaseificação de biomassa - usa calor para converter biomassa em um gás sintético rico em hidrogênio.
Os processos fotoeletroquímicos e fotobiológicos são aqueles que devem ser desenvolvidos para atender às necessidades de energia de longo prazo. Os sistemas de hoje' s são menos de 1 por cento eficientes (solar para hidrogênio) e precisam atingir eficiências muito mais altas para serem econômicos. Além disso, não há instalações em grande escala de nenhuma dessas tecnologias.
Os ciclos termoquímicos de alta temperatura podem alcançar excelentes eficiências (acima de 40 por cento), mas devem usar receptores / reatores solares concentrados capazes de atingir temperaturas acima de 800º C. Há uma grande variedade de ciclos termoquímicos que foram estudados. (Consulte Produção de hidrogênio por ciclos solares termoquímicos de divisão de água).
A gaseificação da biomassa usa o calor para transformar a biomassa (madeira, gramíneas ou resíduos agrícolas) em um gás sintético. A composição dos gases depende do tipo de matéria-prima, presença de oxigênio, temperatura da reação e outros parâmetros. Os gaseificadores de biomassa foram desenvolvidos como reatores de leito fixo, leito fluidizado e leito arrastado.
