Embora o hidrogênio seja frequentemente considerado um combustível livre de poluição do futuro, especialmente para uso em veículos elétricos com células de combustível, o hidrogênio pode ser usado para muito mais do que carros com emissões zero. Na verdade, de aumentar a flexibilidade da rede para tornar a agricultura mais ecológica, o hidrogênio pode desempenhar um papel importante em um sistema de energia limpa e resiliente.

Em um esforço para concretizar essa visão, o Departamento de Energia (DOE) lançou "Hidrogênio em escala, "ou H2 @ Scale, uma iniciativa que explora o potencial de produção e utilização de hidrogênio em larga escala nos Estados Unidos para beneficiar muitos setores da economia. Em apoio à iniciativa, os cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) têm voltado cada vez mais sua atenção para a geração de hidrogênio.

"O hidrogênio é um portador de energia intermediária muito bom", disse o pesquisador do Berkeley Lab, Adam Weber. "Há um grande foco agora em usar hidrogênio para outros usos finais, não apenas células de combustível e veículos. "

O problema com o hidrogênio é, embora seja o elemento que ocorre mais comumente em nosso planeta, não existe em nenhum lugar na forma pura. Isso significa que deve ser produzido a partir de outros compostos. Atualmente, a grande maioria do hidrogênio é produzida pela extração do gás natural, um processo denominado reforma do metano a vapor. Embora seja barato, ele libera grandes quantidades de dióxido de carbono no processo.

Para a geração de hidrogênio que é mais barata, mais eficiente, e pesquisadores menos poluentes do Berkeley Lab estão buscando várias tecnologias alternativas, alavancando seus recursos em células de combustível, materiais, e outras áreas. Isso inclui eletrólise, que usa eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, e células fotoeletroquímicas (PEC), que usam a luz do sol para fazer a mesma coisa.

Se a eletricidade é gerada por energia renovável, a eletrólise é essencialmente livre de poluição. "Acreditamos que se você olhar para a forma como a energia solar e a eólica estão indo, os preços da eletricidade serão muito mais baixos no futuro, e fora do horário de pico, o preço pode até ficar negativo, "Disse Weber." Se pudermos utilizar essa eletricidade em uma unidade de eletrólise intermitente, podemos começar a produzir um pouco de hidrogênio muito barato. "

À medida que o uso de energia eólica e solar cresce, um excedente de eletricidade se tornará um problema para as concessionárias. "A eletrólise se torna uma boa maneira de usar o excesso de eletricidade - demonstrou ser uma maneira muito barata de nivelar a carga, "disse o pesquisador do Berkeley Lab, Nem Danilovic.

Como líder do Grupo de Conversão de Energia em Berkeley Lab e vice-diretor da HydroGEN, um consórcio DOE de laboratórios nacionais focado em materiais avançados de separação de água, Weber está supervisionando uma série de projetos de eletrolisadores de alta e baixa temperatura. A eletrólise está em uso comercial hoje, mas o desafio é torná-lo mais eficiente e menos intensivo em capital.

Como células de combustível, eletrolisadores consistem em um ânodo e um cátodo separados por um eletrólito. “Temos uma vasta experiência em pesquisa de células de combustível, e estamos aproveitando isso para eletrólise também, "disse Danilovic." Muitas das mesmas ferramentas e técnicas que foram desenvolvidas para compreender as membranas, catalisadores, os modelos estão sendo aproveitados para serem aplicados a eletrolisadores e, com sorte, podemos diminuir rapidamente o custo da geração de hidrogênio. "

A pesquisa de geração de hidrogênio do Berkeley Lab também está recebendo um impulso das capacidades desenvolvidas no Joint Center for Artificial Photosynthesis, (JCAP), um Centro de Inovação de Energia DOE estabelecido em 2010 para promover a pesquisa de combustível solar. Com base no trabalho que os pesquisadores do JCAP no Berkeley Lab fizeram nas células PEC - dividindo água em hidrogênio em um eletrodo e oxigênio no outro - Weber e sua equipe estão refinando ainda mais as células para reduzir o custo e integrá-las aos dispositivos.

"O JCAP demonstrou alta eficiência para obter luz solar e obter bolhas de hidrogênio e oxigênio, "Disse Weber." Ainda precisamos trabalhar na durabilidade e no custo, mas construímos muitos recursos em ciência de superfície, catálise, integração, e eletrocatálise. Muitas dessas capacidades foram transferidas para nosso trabalho com hidrogênio. "

Outros projetos de pesquisa incluem um gerador de energia solar para hidrogênio perovskita, um eletrolisador de alta temperatura de óxido sólido, bem como pesquisa de materiais mais básicos como parte do consórcio HydroGEN Advanced Water Splitting Materials, que é liderado pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável. "Os materiais - é onde pensamos que pode haver inovação, em termos de eficiência e também de custo, "disse Weber." Estamos trabalhando em tudo, desde cálculos ab initio de catalisadores até modelagem multiescala no nível da célula, analisando membranas, fazendo funcionalização de superfície e propriedades de superfície, para benchmarking. "

Além disso, os cientistas do Berkeley Lab estão desenvolvendo ferramentas e análises para acelerar o processo de pesquisa e desenvolvimento, incluindo a realização de análises técnico-econômicas para integração da rede, comparar as tecnologias umas com as outras para ter métricas e objetivos comuns, e desenvolver um repositório de dados de materiais que os cientistas podem usar como ferramenta de pesquisa.

O Berkeley Lab também faz parte de outro consórcio DOE, Materiais de hidrogênio - Consórcio de Pesquisa Avançada (HyMARC), liderado por Sandia National Laboratories, que está trabalhando no armazenamento de hidrogênio seguro e econômico. Cientistas da Fundição Molecular do Berkeley Lab, um DOE Nanoscale Science Research Center, estão trabalhando em vários projetos HyMARC e recentemente lideraram um estudo sobre nanocristais de magnésio envoltos em uma camada de grafeno, que mostrou grande promessa para o armazenamento de hidrogênio com segurança e em altas densidades. O pesquisador Jeff Urban lidera o HyMARC para o Berkeley Lab.

Embora ainda existam problemas científicos para superar Weber e Danilovic, ambos na área de tecnologias de energia do Berkeley Lab, vemos uma grande promessa para o hidrogênio desempenhar um papel nas indústrias de transporte e aquecimento à produção de alimentos. Agricultura moderna, por exemplo, é fortemente dependente de fertilizantes, da qual amônia, ou NH3, é um componente chave. “O hidrogênio da amônia é derivado do gás natural, "Danilovic disse." Usar hidrogênio de baixo custo da eletrólise pode fornecer oportunidades de mercado para ativos perdidos, como vento reduzido e indústrias como a produção de fertilizantes. "

Ao permitir a produção e utilização em larga escala de hidrogênio limpo, H2 @ Scale aborda questões-chave, como resiliência da grade, seguranca energetica, e reduções de emissões.

"Para atender a várias necessidades de energia e transporte, o hidrogênio é um facilitador porque podemos produzi-lo a partir de vários insumos, incluindo energia nuclear ou energia renovável, como luz solar ou energia eólica, "Disse Danilovic." Podemos pegar eletricidade limpa e usá-la para produzir hidrogênio, uma mercadoria bastante flexível que pode ser usada em vários setores, e no processo, habilitar a segurança energética, resiliência, e crescimento econômico. "