Método permite monitorar a produção de hidrogênio em reatores

Pesquisadores do Centro de Estudos de Carbono em Agricultura Tropical (CCARBON) e do Centro de Pesquisa para Inovação em Gases de Efeito Estufa (RCGI) desenvolveram um novo método para o monitoramento da produção de hidrogênio em eletrolisadores – reatores que produzem hidrogênio e oxigênio gasoso a partir de água líquida por meio da aplicação de uma corrente elétrica.

O hidrogênio é um gás de uso na indústria química e alimentícia, mas também existe a perspectiva de empregá-lo como combustível em veículos e geradores. Quando a energia utilizada em sua produção é exclusivamente renovável, solar ou eólica, por exemplo, é possível obter o chamado hidrogênio verde.

“Para que o eletrolisador produza hidrogênio puro, é preciso garantir que, após o processo de eletrólise da água, oxigênio e hidrogênio não se misturem novamente dentro do reator. Identificamos que é possível fazer esse controle tendo como base o monitoramento do escoamento do líquido que passa entre o hidrogênio e o oxigênio por meio de análise de imagem”, explica Rodrigo de Lima Amaral, pesquisador vinculado ao RCGI – um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído por FAPESP e Shell na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), que conta com apoio de diversas empresas.

Com a nova abordagem, já com patente depositada no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI), é possível verificar a obtenção do hidrogênio puro a partir de técnicas mais econômicas, como o uso de reatores que fazem a eletrólise da água sem uma membrana de separação.

Vantagens econômicas

A eliminação de membranas ou diafragmas da arquitetura das células reduz os custos de fabricação e aumenta a sua durabilidade. A separação entre oxigênio e o hidrogênio gerado é feita principalmente pelo escoamento do líquido dentro do reator, que mantém as bolhas formadas durante a eletrólise da água presas na parede. Antes dessa nova forma de monitoração, existia nesses casos uma dificuldade para verificar o grau de pureza do hidrogênio produzido.

O método desenvolvido por cientistas do RCGI e do CCARBON – um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID) da FAPESP sediado na Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq-USP) – permite extrair informações quantitativas dos componentes do escoamento multifásico dentro do reator por meio da análise de imagens do fluido.

“A dificuldade estava em ter de monitorar cada bolha individualmente nesse processo, sendo que elas tendem a se sobrepor na imagem. Por meio de uma técnica já conhecida e chamada de optical flow, foi possível analisar pixel a pixel as imagens do escoamento e, com isso, identificar em que regiões do reator não há cruzamento de bolha de hidrogênio e de oxigênio”, explica o pesquisador.

Compensando limitações

Amaral conta que, embora a optical flow seja uma técnica amplamente utilizada, nunca tinha sido alvo na produção de hidrogênio. “É usada 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.

Mas, para o caso específico dos eletrolisadores, os pesquisadores precisaram corrigir as limitações da optical flow. “Associamos imagem e ruído em uma mesma análise. Percebemos que, ao aplicar a técnica nesse contexto, surgiram várias fontes ruidosas que poderiam sinalizar a formação de bolhas que na verdade não existem. Diante disso, desenvolvemos novos filtros para eliminar o ruído, tornando o monitoramento muito mais preciso e viável”, pontua.

Além de contribuir para o monitoramento da produção de hidrogênio puro em reatores sem membrana, o novo método possibilita a fabricação de reatores mais estáveis e baratos. “Trata-se de um projeto que viabilizará o desenvolvimento de novos reatores para a produção de hidrogênio. E que pode ser utilizado para o monitoramento e a análise de qualquer escoamento multifásico. Por exemplo, na indústria de bebidas, para analisar a qualidade e o borbulhamento de bebidas gaseificadas”, acrescenta Julio Meneghini, diretor científico do RCGI e professor da Poli-USP.

* Com informações do RCGI.

Matéria – Agência FAPESP*
Imagem – O hidrogênio é um gás de uso na indústria química e alimentícia, mas também existe a perspectiva de empregá-lo como combustível em veículos e geradores (imagem: Freepik)