Bolhas no eletrolisador podem elevar em mais de 50% o consumo de energia do hidrogênio verde

Pesquisadores da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, e da City University of Hong Kong criaram um modelo computacional tridimensional que mostra como as bolhas formadas durante a eletrólise da água desperdiçam energia na produção de hidrogênio verde. Segundo o estudo divulgado pela Interesting Engineering, o modelo identificou um raio crítico de bolha: acima dele, a tensão extra exigida pelo processo cresce de forma exponencial, podendo passar de 50% da tensão necessária sem bolhas, em certas condições simuladas.

Na eletrólise, a corrente elétrica separa a água em hidrogênio e oxigênio nos eletrodos. As bolhas desses dois gases se formam justamente sobre os eletrodos, onde ocorrem as reações. Elas podem bloquear os sítios ativos da reação, impedir que a água chegue à superfície do eletrodo ou atrapalhar o movimento das partículas carregadas. O resultado é um eletrolisador que consome mais eletricidade para produzir a mesma quantidade de hidrogênio.

O problema não é novo. Equipes de pesquisa já testaram formatos diferentes de eletrodo, ajustes no fluxo do líquido e modificações na superfície para que as bolhas se desprendam com facilidade. Faltava, porém, uma forma precisa de calcular quanta energia cada bolha individual faz perder. Como disse Lenan Zhang, professor assistente da Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering da Cornell e um dos autores principais, isolar o impacto das bolhas em cada escala é muito difícil em experimentos.

O modelo cobre processos que vão do microscópico ao de dispositivo, em oito ordens de grandeza de comprimento. Segundo Weihong Li, professor associado de engenharia mecânica da City University of Hong Kong e também autor principal, a ferramenta funciona como um gêmeo digital do eletrolisador. Ela reproduz formatos e materiais reais de eletrodo e condições de operação, e revela processos microscópicos que são difíceis de observar em laboratório.

Limite de tamanho e tensão extra

Com essa ferramenta, os pesquisadores analisaram bolhas de hidrogênio individuais em um eletrodo de eletrolisador alcalino. A conclusão é que as perdas maiores ocorrem quando a bolha bloqueia a superfície ativa do eletrodo. As simulações também indicam que manter as bolhas abaixo do raio crítico pode limitar a tensão adicional causada por uma bolha individual a até 3%.

Os cientistas verificaram ainda que o tamanho crítico depende da geometria do eletrodo e da facilidade com que o líquido se espalha pela superfície. Esse ponto tem peso prático, porque indica que o desenho do eletrodo e o tratamento de superfície podem deslocar o limite.

Próximos passos da pesquisa

Para ganhar eficiência, a equipe propõe eletrodos que liberem as bolhas antes que elas cresçam demais. O grupo pretende ampliar o modelo para estudar como múltiplas bolhas crescem, se unem e interagem. A ideia é também combinar a ferramenta com otimização computacional e impressão 3D para desenvolver desenhos de eletrodo mais eficientes.

O modelo também reduz o esforço computacional em cerca de 1.000 vezes, sem comprometer a precisão numérica, segundo a fonte. Para quem projeta eletrolisadores, o recado é que o tamanho de bolha passa a ser um parâmetro de projeto mensurável, e não apenas um efeito observado depois da operação. Ainda assim, a pesquisa é de simulação: os resultados dependem de validação experimental em equipamentos reais, e o estudo não informa prazo para aplicação industrial.