Os métodos de produção de hidrogénio verde estão a evoluir no sentido de soluções que combinem elevado desempenho, baixo custo e menor impacto ambiental. Entre estas, uma das inovações mais promissoras é a eletrólise da água por membrana de troca aniônica (AEM WE).

A eletrólise alcalina avançada tem sido utilizada comercialmente há décadas e continua a ser a tecnologia mais madura para a produção de hidrogénio em grande escala. É atualmente utilizada em alguns dos maiores projetos de hidrogénio verde a nível mundial, uma vez que pode ser implementada à escala de gigawatts. Funciona num ambiente alcalino concentrado, utilizando normalmente uma solução de hidróxido de potássio (KOH) a 30 % p/p.

Embora eficaz e relativamente económica, esta abordagem requer eletrólitos altamente cáusticos e enfrenta frequentemente limitações no que diz respeito à integração com fontes de energia renováveis. Em alternativa, a eletrólise da água por membrana de troca de protões (PEM) é mais flexível e apresenta um design mais compacto, mas depende de metais nobres dispendiosos, principalmente o irídio.

Como tecnologia inovadora cujo design permite a gestão de minerais escassos, a AEM WE foi concebida para limitar a dependência de eletrocatalisadores escassos e dispendiosos, como a platina, o paládio e o irídio. De facto, os sistemas AEM são concebidos em torno de catalisadores e componentes baseados em matérias-primas abundantes na Terra, como o níquel, o ferro e outros metais de transição.

AEM electrolysis is built upon the alkaline concept but introduces an ion-conducting membrane instead of a conventional diaphragm to separate the anode and cathode of the electrochemical cell. The technology operates under milder alkaline conditions and uses significantly more dilute KOH solutions (typically 1 M KOH) than conventional alkaline electrolyzers. 

In terms of membrane materials, and to respect continuously evolving global regulatory requirements related to PFAS, the hydrogen industry is increasingly moving towards PFAS-free membranes to address growing scrutiny over these chemicals. As a result, AEM WE seeks to combine high electrochemical performance with improved credentials across its entire life cycle. 

Vários programas de investigação recentes financiados pela UE centram-se no desenvolvimento de catalisadores e componentes sem metais preciosos para eletrolisadores AEM. O objetivo final é implementar um eletrolisador que combine as vantagens operacionais dos sistemas baseados em membranas com os materiais normalmente utilizados na eletrólise alcalina, reduzindo tanto os custos de capital como os riscos da cadeia de abastecimento associados à dependência geopolítica de matérias-primas críticas. Neste contexto, a De Nora participa ativamente em vários consórcios de investigação, contribuindo com o seu conhecimento e experiência consolidada na conceção e formulação de eletrocatalisadores.

Por exemplo, o projeto ENDURION centra-se no desenvolvimento de um eletrolisador AEM pressurizado altamente eficiente e duradouro, através de inovações na conceção das células e das pilhas. Paralelamente, o projeto HyPrAEM está a desenvolver um novo eletrolisador AEM de alta pressão para melhorar o desempenho, a durabilidade e a escalabilidade industrial do sistema.

Embora a redução da utilização de metais críticos seja um dos principais objetivos da AEM WE, a sustentabilidade vai além da seleção de catalisadores. Uma das preocupações crescentes em torno da implantação de hidrogénio em grande escala é o consumo de água doce. Os sistemas de eletrólise convencionais requerem, geralmente, água de elevada pureza, o que pode constituir um desafio em regiões que enfrentam escassez de água e seca.

Por esta razão, vários consórcios de investigação europeus, para os quais a De Nora contribuiu, têm-se concentrado cada vez mais em viabilizar a eletrólise utilizando matérias-primas de menor qualidade.

Por exemplo, o projeto ANEMEL abordou um dos principais desafios que a futura produção de hidrogénio enfrenta: reduzir a dependência de água ultrapura. Isto foi conseguido através do desenvolvimento de membranas, catalisadores e componentes de sistema avançados, capazes de funcionar com fluxos de água de menor qualidade.

Ao permitir o funcionamento com água menos purificada, o ANEMEL ajudou a abrir caminho para o projeto ASTERISK, que também foi apoiado por financiamento europeu. Neste caso, os investigadores estudaram novos materiais e conceções de sistemas para permitir a utilização direta da água do mar como matéria-prima para a produção de hidrogénio.

Em suma, limitar a dependência de metais nobres, adotar materiais isentos de PFAS e minimizar o consumo de água doce refletem um compromisso mais amplo com o desenvolvimento de tecnologias de hidrogénio que apoiem a descarbonização, antecipando simultaneamente futuros requisitos ambientais e regulamentares.

Em conclusão, vários fabricantes de eletrolisadores e componentes, incluindo a De Nora, estão a investigar o AEM WE e a sua implantação industrial, de forma a alinharem-se com os princípios internos de design circular e a reduzirem a dependência de metais do grupo da platina, que são escassos e se encontram geograficamente concentrados. O objetivo é desenvolver sistemas que combinem robustez e elevado desempenho, oferecendo simultaneamente características operacionais comparáveis às das tecnologias atualmente disponíveis no mercado.