Desenvolvimento e análise experimental de um gerador de hidrogênio por eletrólise

Abstract

Este trabalho tem o objetivo apresentar o processo de construção de um eletrolisador de água utilizando materiais de baixo custo. Aplicando a metodologia de planejamento avançado de qualidade do produto, modelagem termodinâmica e eletroquímica, foi possível construir um eletrolisador que custou apenas US$ 205,00. A análise técnica e econômica do protótipo educacional foi feita considerando um circuito de eletrodos em paralelo, uma usina fotovoltaica de 3 kW e radiação solar média de 890 W/m2. Os sais KOH e NaOH foram utilizados nas concentrações molares de 64 e 39 g.L-1 de água, respectivamente, para a determinação do rendimento do eletrolisador. Durante a análise técnica foram aplicadas tensão de 12 V e corrente de 60 A, produzidos pelos painéis fotovoltaicos, o que resultou em uma vazão mássica de hidrogênio, similar para as duas soluções eletrolíticas, de 0,025 Nm3.h-1. O rendimento do eletrolisador para este cenário foi de aproximadamente 2%, com uma eficiência de eletrólise de 10%. Os custos de produção do hidrogênio deste eletrolisador variaram de US$ 0.64 a US$ 0.70 por kWh. Com auxílio de um sensor de temperatura foi observado um aumento na temperatura dos eletrodos de acordo com o aumento da corrente. A temperatura máxima do eletrolisador usando KOH foi de 55 °C e utilizando o NaOH a temperatura foi de 45 °C. Nota-se que o aumento da produção de hidrogênio está relacionado com o aumento da temperatura do eletrizador. Conclui-se que os resultados da análise técnica e econômica de um sistema de produção de hidrogênio utilizando painéis fotovoltaicos ligados em paralelo, mostraram que este sistema tem capacidade para ser uma alternativa de produção de energia limpa no futuro.

This work aims to demonstrate the process of building a low-cost water electrolyzer using common materials. Applying the Advanced Product Quality Planning methodology, thermodynamic and electrochemical modeling, it was possible to build an electrolyzer with about US$ 205.00. The technical and economic analysis of the educational prototype was made considering a circuit of electrodes in parallel, a photovoltaic plant of 3 kW and average solar radiation of 890 W/m2 . In the electrolyzer, the electrolytic solutions with 1 M concentration of NaOH and KOH were used, i.e., 39 g.L -1 and 64 g.L -1 , respectively, to test the performance of the electrolyser. In the technical analysis, voltage of 12 V and current of 60 A were applied, produced by the photovoltaic panels, which resulted in a hydrogen mass flow, similar for the two electrolytic solutions, of 0.025 Nm3 .h -1 . The electrolyser yield for this scenario was approximately 2%, with an electrolysis efficiency of 10%. The hydrogen production costs of this electrolyser ranged from US$ 0.64 a US$ 0.70 per kWh. With the aid of a temperature sensor, an increase in the temperature of the electrodes was observed according to the increase in current. The temperature of the electrolyser using KOH was 55 °C and using NaOH the temperature was 45 °C. Note that the increase in hydrogen production is related to the increase in the temperature of the electrifier. It is concluded that the results of the technical and economic analysis of a hydrogen production system using photovoltaic panels connected in parallel, regardless that this system has the capacity to be an alternative for the production of clean energy in the future.