Pesquisadores do Centro de Pesquisa e Inovação em Gases de Efeito Estufa (RCGI) desenvolveram um novo método para o monitoramento da produção de hidrogênio em eletrolisadores. Com a nova abordagem, já patenteada, é possível verificar a obtenção de hidrogênio puro a partir de técnicas mais econômicas como o uso de reatores que fazem a eletrólise da água sem uma membrana de separação.

Eletrolisadores são reatores que produzem hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂) gasoso, a partir da água em fase líquida, por meio da aplicação de uma corrente elétrica. Quando a energia utilizada no processo é exclusivamente renovável, é possível obter o chamado hidrogênio verde.

“Para que esse reator 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 através de análise de imagem”, explica Rodrigo de Lima Amaral, pesquisador colaborador do RCGI.  

Vantagens econômicas – Eletrolisadores sem membrana apresentam vantagens econômicas para a produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água. Isso porque 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 hidrogênio gerada é feita principalmente pelo escoamento do líquido dentro do reator que mantém as bolhas presas na parede. No entanto, nesses casos existia uma dificuldade em monitorar o grau de pureza do hidrogênio produzido.

“A dificuldade em analisar o escoamento multifásico estava na limitação de ter que 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 imagens [pixel a pixel] do escoamento provocado por essas bolhas e com isso identificar onde há bolhas oxigênio e hidrogênio em todo reator”, diz Amaral. 

Com o novo método, criado a partir dessa técnica, os pesquisadores conseguiram identificar, por meio de imagens internas dos reatores, o deslocamento de pixel associado à presença das bolhas. "Isso permite afirmar que bolhas estão sendo geradas. Além disso, é possível identificar em que regiões do reator não há cruzamento de bolha de hidrogênio e de oxigênio", explica. 

Compensando limitações – Amaral conta que, embora o optical flow seja uma técnica amplamente utilizada, nunca tinha sido alvo na produção de hidrogênio. “O optical flow é usado para o monitoramento de qualquer movimentação que provoque o deslocamento do pixel na imagem. Portanto, pode ser usado para identificar carros em rodovias e para 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 do optical flow.  “Associamos imagem e ruído em uma mesma análise. Percebemos que, ao aplicar o optical flow nesse contexto, surgiram várias fontes ruidosas que poderiam sinalizar a formação de bolhas que na verdade não existem. Diante disso, desenvolvemos novos filtros para eliminá-los, tornando o monitoramento muito mais preciso e viável", diz.  

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 produção de hidrogênio. É um método que pode ser utilizado para monitoramento e análise de qualquer escoamento multifásico. Por exemplo, na indústria de bebidas, para analisar a qualidade e o borbulhamento de bebidas gaseificadas”, afirma Julio Meneghini, diretor científico do RCGI e professor da Escola Politécnica da USP.

Além de Amaral, a equipe que desenvolveu a tecnologia é composta pelo doutorando Bernardo Luiz Harry Diniz Lemos, Dr. Vítor Augusto Andreghetto Bortolin, Prof. Dr. Caetano Rodrigues Miranda, Dr. Thiago Lopes, sob a coordenação de Meneghini

Saiba mais:

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

https://tecnousp-en.blogspot.com/2024/04/method-for-monitoring-bubble-flow-in.html

Sobre o RCGI – O Centro de Pesquisa e Inovação em Gases de Efeito Estufa (RCGI) é um Centro de Pesquisa em Engenharia, criado em 2015, com financiamento da FAPESP e de empresas por meio dos recursos previstos na cláusula de P,D&I da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) dos contratos de exploração e comercialização de petróleo e gás. Atualmente estão em atividade 57 projetos de pesquisa ativos (em um histórico de 110), ancorados em oito programas: NBS (Nature Based Solution); CCU (Carbon Capture and Utilization); BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage); GHG (Greenhouse Gases), Advocacy, InnovaPower, Decarbonization e Centre 2 Centre (projetos em colaboração direta com centros de pesquisa dos Estados Unidos). O RCGI, que conta com cerca de 600 pesquisadores, mantém colaborações com diversas instituições, como Oxford, Imperial College, Princenton e o National Renewable Energy Laboratory (NREL). Saiba mais.

O novo método, desenvolvido pelo RCGI, permite extrair informações quantitativas dos componentes do escoamento multifásico (Veja imagem abaixo) dentro do reator por meio da análise por imagens do fluido. Isso é possível porque, durante a eletrólise da água, formam-se não apenas líquidos, mas também bolhas de gás.