Como Produzir Hidrogênio Verde? Entenda a Tecnologia Mais Difundida

Muitos métodos para produção de hidrogênio liberam grandes quantidades de CO₂ na atmosfera. Por isso, entender como produzir hidrogênio verde tornou-se essencial para quem busca uma alternativa energética realmente sustentável.

A busca por soluções que reduzam os impactos ambientais tem levado governos, empresas e centros de pesquisa a direcionar cada vez mais atenção ao hidrogênio verde.

No entanto, nem todo hidrogênio é considerado limpo, pois, em grande parte das rotas convencionais, sua produção ainda depende de combustíveis fósseis.

Assim, resulta na emissão de dióxido de carbono e outros gases prejudiciais ao meio ambiente. Mas, afinal, como produzir hidrogênio verde?

Existem diferentes metodologias para gerar o gás, as quais variam conforme a fonte de energia e a tecnologia utilizada.

Entre essas rotas de produção, uma delas se destaca globalmente pela maturidade, eficiência e capacidade de integração com energias renováveis.

Leia o artigo, pois vamos aprender mais sobre essa tecnologia a partir de agora.

Como produzir hidrogênio verde?

Uma das técnicas mais populares e comerciais para a produção de hidrogênio verde é a eletrólise da água, utilizando eletricidade proveniente de fontes renováveis, como:

• Energia solar.
• Energia eólica.
• Energia Hidroelétrica ou das Marés;

A propósito, para que o hidrogênio seja realmente “verde”, a eletricidade usada na eletrólise deve ser proveniente de fontes renováveis.

Assim, a integração entre sistemas de energia solar, eólica, hídrica e nuclear é essencial para garantir o fornecimento contínuo de eletricidade limpa.

Porém, o vento e a luz solar não estão disponíveis de forma contínua, inclusive nos momentos de alta demanda por energia.

Por isso, é comum empregar sistemas de armazenamento de energia, tais como baterias, ou operar eletrolisadores em horários de excedente energético.

Eletrólise da água: o processo central

A eletrólise da água é o método mais utilizado para produzir hidrogênio verde, e a ideia é simples: usar eletricidade gerada por energia renovável para separar a molécula de água (H₂O) em dois gases:

• Hidrogênio (H₂);
• Oxigênio (O₂);

Aliás, esse processo ocorre dentro do eletrolisador, um equipamento formado por dois eletrodos, ou seja, o ânodo e o cátodo, mergulhados em uma solução aquosa com eletrólito.

Assim, os eletrolisadores assumem diferentes formas e tamanhos, como modelos compactos, usados em pequenos projetos ou aplicações locais.

Por outro lado, existem unidades industriais de grande porte instaladas em usinas dedicadas à produção exclusiva de hidrogênio verde.

O que são os Eletrodos e Eletrólitos?

Os eletrodos são feitos de materiais condutores e resistentes, capazes de suportar o ambiente químico da eletrólise, e cada um desempenha seu papel:

• Ânodo: polo positivo; ocorre a etapa em que a água libera oxigênio gasoso.
• Cátodo: polo negativo onde ocorre a formação do hidrogênio; partículas carregadas recebem elétrons e se transformam no gás combustível.

Como a água é uma má condutora de eletricidade, apresenta baixa eficiência na passagem de corrente elétrica.

Por isso, adiciona-se um eletrólito, substância que se dissolve e libera íons, ou seja, partículas carregadas, para ajudar a transportar eletricidade dentro da solução.

A propósito, ele não reage nem altera o produto final, mas atua como o “meio condutor” para manter o processo funcionando.

O eletrólito permite o movimento das partículas carregadas dentro da célula, logo ele é:

• Solução aquosa com adição de outros elementos químicos.
• Membrana sólida polimérica ou de material cerâmico.

Sem esses componentes, a água praticamente não conduziria eletricidade; o eletrólito facilita o transporte de íons entre ânodo e cátodo, mantendo o processo estável e contínuo.

Por outro lado, a eletricidade alimenta a reação, pois ela “empurra” os elétrons pelos eletrodos; assim, as moléculas de água se separam.

Portanto, a fonte de energia usada é o que define se o hidrogênio será ou não considerado verde.

Em resumo, dentro do eletrolisador, a água entra, passa pelo eletrólito e encontra os eletrodos; e, quando se aplica a corrente elétrica, ocorre a separação das moléculas de água:

• O hidrogênio aparece no cátodo.
• O oxigênio aparece no ânodo.

Deste modo, coleta-se cada gás, purifica e direciona para usos como armazenamento, produção de combustíveis sintéticos, metalurgia, fertilizantes, células a combustível, entre outros.

Como resultado, todo o ciclo de vida do hidrogênio verde, da produção à utilização, caracteriza-se por um impacto ambiental mínimo.

Água e pureza

Então, a eletrólise exige a purificação ou deionização da água, pois impurezas podem reduzir a eficiência e degradar os eletrodos.

Embora a água doce seja o insumo ideal, o uso de água do mar tem sido estudado, mas requer dessalinização e filtragem; por essa razão, aumentam o custo e o consumo energético.

Assim, o uso sustentável da água é um tema crucial para a expansão do hidrogênio verde, especialmente em regiões áridas.

Por outro lado, surgem alternativas promissoras, como o reuso de efluentes, o reaproveitamento de água proveniente de processos térmicos e a utilização de salmouras industriais.

Tipos de eletrólise da água para produção de hidrogênio verde

Para começar, a eficiência e o custo do hidrogênio verde dependem diretamente da tecnologia de eletrólise utilizada. Existem três principais tecnologias:

• Eletrólise alcalina: ânodo (+), cátodo (–), separados por diafragma;
• Eletrólise por membrana de troca de prótons: ânodo (+), cátodo (–), separados por uma membrana protônica.
• Eletrólise de óxidos sólidos: ânodo (+), cátodo (–), separados por eletrólito;

Em geral, o ânodo é o eletrodo onde ocorre oxidação, ou seja, a perda de elétrons; na eletrólise da água, ele é o polo positivo.

Por outro lado, o cátodo é o eletrodo onde ocorre redução, o ganho de elétrons, e, na eletrólise da água, ele é o polo negativo.

No entanto, existem outras técnicas para produção de hidrogênio verde via eletrólise ainda pouco difundidas; assim, selecionamos estas três com maior destaque.

Como Produzir Hidrogênio Verde pela Eletrólise alcalina

Primeiramente, a eletrólise alcalina, termo originado do inglês “Alkaline Electrolysis”, é o método mais tradicional e consolidado para produzir hidrogênio verde.

Trata-se de uma tecnologia bastante empregada no mundo porque combina baixo custo relativo, manutenção simples e uso de materiais com ampla disponibilidade.

Assim, na eletrólise alcalina, a separação da água em hidrogênio e oxigênio ocorre dentro de um eletrolisador formado por dois eletrodos:

• Ânodo, onde ocorre a liberação do oxigênio, é geralmente a base de níquel ou materiais resistentes à corrosão;
• Cátodo, onde o hidrogênio se forma, também pode ser de níquel ou aço inoxidável;

Sendo assim, estes são imersos em uma solução alcalina aquosa, geralmente contendo KOH (hidróxido de potássio) ou NaOH (hidróxido de sódio).

Uma Parede de Divisão: Diafragma

Entre os eletrodos existe um diafragma poroso, cuja função é evitar a mistura dos gases formados e, simultaneamente, permitir o transporte seletivo de espécies carregadas.

Sobretudo, o cátodo recebe elétrons de fonte de energia elétrica, quebra as moléculas de água, ocorre a formação do gás hidrogênio e íons hidróxido (OH⁻) na própria solução:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

O hidrogênio se desprende rapidamente por ser gasoso, enquanto os íons OH⁻ migram internamente em direção ao lado positivo do eletrolisador.

Aliás, a presença do diafragma é fundamental nesse processo, pois impede a mistura do hidrogênio com o oxigênio; porém, é permeável o suficiente para permitir somente a passagem do OH⁻.

Dessa forma, o íon hidróxido (OH⁻), produzido na região catódica, atravessa o material poroso e alcança o ânodo.

No ânodo, eles chegam, liberam elétrons e se convertem em oxigênio gasoso, além de regenerarem parte da água consumida ao longo do processo.

Já o oxigênio se desprende do eletrodo, enquanto liberam-se os elétrons, eles retornam ao cátodo pelo circuito externo:
4OH⁻ → H₂O + O₂ + 4e⁻

Em resumo, fecha-se o ciclo eletroquímico, e o conjunto dessas etapas mantém o funcionamento contínuo do método:

• Cátodo: produz hidrogênio e íons OH⁻.
• Diafragma: direciona o transporte interno destes íons.
• Ânodo: gera oxigênio e água, e devolve elétrons ao circuito.

Logo, toda essa dinâmica coordenada caracteriza a operação típica de um eletrolisador alcalino.

Portanto, todo o processo é contínuo e bem simples, razão pela qual essa tecnologia permanece relevante mesmo após décadas de utilização industrial.

Como Produzir Hidrogênio Verde pela Eletrólise por Membrana de Troca de Prótons (PEM).

Este nome provém da tradução do inglês “Proton Exchange Membrane”, e representa uma tecnologia mais moderna para a produção de hidrogênio verde.

A propósito, a membrana de troca de prótons é o elemento base para a definição de toda a arquitetura do processo.

Trata-se de um polímero sólido e hidratado, como o Nafion, cuja estrutura interna possui canais que permitem apenas o deslocamento de prótons (H⁺). Essa membrana funciona simultaneamente como eletrólito, separador físico e meio condutor iônico.

Deste modo, o oxigênio e hidrogênio permanecem isolados, enquanto os prótons atravessam a membrana e seguem seu caminho para a formação do hidrogênio.

Por outro lado, a alimentação de água ocorre no lado positivo do eletrolisador, pois, ao receber corrente elétrica, as moléculas de água se separam, libera oxigênio, prótons (H⁺) e elétrons:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 2e⁻

O oxigênio se desprende imediatamente como gás, os elétrons seguem pelo circuito externo, e os prótons permanecem no meio, prontos para atravessar a membrana.

Um Trajeto Dedicado aos Prótons

Deste modo, a membrana PEM é o caminho exclusivo dos prótons e permanece hidratada, pois a água em sua matriz é essencial para o mecanismo de condução.

Aliás, nem elétrons, nem íons negativos e nem gases conseguem atravessar essa estrutura; ou seja, somente o H⁺ Assim, essa seletividade garante alta eficiência e evita a mistura de hidrogênio com oxigênio.

Logo, no lado negativo, o hidrogênio e os elétrons se unem na superfície catalítica do eletrodo, produzindo hidrogênio gasoso:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂

Sobretudo, o hidrogênio se desprende na forma de bolhas finas e é coletado diretamente no cátodo.

No entanto, a membrana conduz prótons de forma eficiente somente se possuir água suficiente em sua estrutura; caso contrário, a resistência interna aumenta e o desempenho da célula cai bastante.

Por isso, os sistemas PEM incluem controle rigoroso de umidade e recirculação de água, assegurando operação estável e contínua.

Como Produzir Hidrogênio Verde pela Eletrólise de Óxido Sólido

O nome vem também da tradução do inglês, “Solid Oxide Electrolysis (SOE)”, é uma das tecnologias mais avançadas para a produção de hidrogênio verde.

Bem diferente das alternativas alcalina e PEM, esse processo opera em temperaturas elevadas e utiliza um eletrólito sólido, sem a presença de uma solução alcalina ou uma membrana polimérica.

O núcleo deste eletrolisador é um material cerâmico especial que conduz íons de oxigênio quando aquecido, propiciando uma separação extremamente eficiente da água.

Os eletrodos também diferem daqueles usados em outras tecnologias de eletrólise; por exemplo, o ânodo costuma ser composto por materiais à base de níquel.

O cátodo forma-se através de óxidos complexos, capazes de conduzir cargas eletrônicas e iônicas, uma característica essencial para o desempenho do eletrolisador.

O funcionamento é descrito de forma simples: a água, alimentada na forma de vapor, chega ao cátodo, onde se dissocia em hidrogênio e íons de oxigênio:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2O²⁻

Esses íons atravessam o eletrólito cerâmico e alcançam o ânodo, onde se convertem em oxigênio gasoso; o hidrogênio permanece no lado do cátodo e é coletado.
2O₂⁻ → O₂ + 4e⁻

Vantagens da Operação em Altas Temperaturas

A operação em alta temperatura traz duas vantagens importantes:

• 1 – Acelera o transporte iônico no eletrólito sólido, aumentando a eficiência global do processo.
• 2 – Aproveita o calor residual de indústrias, usinas térmicas e processos metalúrgicos, reduzindo a demanda por energia elétrica adicional e melhorando a viabilidade econômica.

Embora essa tecnologia ainda esteja em fase de expansão comercial, ela é considerada uma das mais promissoras para a produção de hidrogênio em larga escala.

Em síntese, os maiores desafios para o avanço do hidrogênio verde ainda envolvem o custo da eletricidade renovável e o preço dos eletrolisadores.

A propósito, o processo continua mais caro do que a produção a partir do gás natural, mas o cenário está em mudança, devido a aumento da escala industrial, avanços em novos materiais e políticas públicas de incentivo.

Considerações Finais

Neste artigo, você aprendeu como produzir hidrogênio verde por meio da eletrólise da água, utilizando os três métodos mais populares.

Assim, o hidrogênio renovável já desponta como uma alternativa concreta para transformar o setor energético global, pois oferece um caminho para reduzir emissões em indústrias de alto consumo energético.

Aliás, o uso do hidrogênio verde também se expande para setores estratégicos, como refinarias, siderurgia, produção de fertilizantes, aviação e transporte pesado.

Conforme os custos caem e a infraestrutura se consolida, o hidrogênio tende a ocupar um papel central na transição para uma economia de baixo carbono.

Sobretudo, é parte essencial de um novo sistema energético integrado, flexível e sustentável.

Por outro lado, com políticas de incentivo, maior participação do capital privado e avanços contínuos em materiais e tecnologias, a tendência é que os eletrolisadores tornem-se mais eficientes e acessíveis.

Para concluir, você conhece o arco-íris do hidrogênio? Existem outras cores além do verde; clique aqui e leia este artigo para saber mais.