Estudo de variáveis do processo de produção de hidrogênio verde por eletrólise alcalina fotovoltaica em protótipo brasileiro em escala laboratorial

Abstract

Este trabalho investigou o efeito de variáveis operacionais no processo de produção de hidrogênio verde (H₂V) por eletrólise alcalina alimentada por energia fotovoltaica em escala laboratorial. Utilizou-se um planejamento fatorial completo 2⁴, avaliando quatro fatores — concentração de KOH (0,5 e 1,5 mol/L), temperatura (40 °C e 60 °C), diâmetro do eletrodo (0,4 cm e 0,6 cm) e tensão aplicada (1,6 V e 2,4 V) — em 24 ensaios, incluindo 8 repetições centrais. O sistema experimental consistiu em um reator de vidro borossilicato de 1,3 L, eletrodos de aço inoxidável AISI 304 e coleta volumétrica de gases por deslocamento de água. Os resultados mostraram que o aumento de cada variável isolada elevou a vazão de H₂, sendo identificadas como condições ótimas 1,5 mol/L de KOH, 60 °C, diâmetro de 0,6 cm e 2,4 V, sob as quais se obteve maior eficiência eletroquímica e menor sobrepotencial. Os dados obtidos nas 9 curvas de polarização indicaram que o aumento dos parâmetros operacionais contribuiu para uma maior eficiência do processo, com menor consumo energético. Destacaram-se, especialmente, as curvas referentes às condições de 1,5 M, 60 °C e 0,6 cm (linha dourada), e 1,5 M, 40 °C e 0,6 cm (linha verde), demonstrando bom desempenho eletroquímico com tensões mais baixas para uma mesma densidade de corrente. A fim de validar esses resultados, foi realizada uma análise complementar com base nas 24 vazões medidas ao longo dos ensaios experimentais. Observou-se que o aumento combinado dos parâmetros resultou em um crescimento proporcional da vazão de hidrogênio, enquanto os testes com menores valores apresentaram vazão nula (0 mL/min), indicando a existência de um limite mínimo necessário para o início eficiente da eletrólise. Já nas condições mais favoráveis, obteve-se a maior vazão registrada, de 25,87 mL/min, confirmando a influência direta da otimização dos parâmetros sobre a intensificação do processo. A análise de variância (ANOVA) confirmou a significância de todos os fatores principais e de interações selecionadas, sem falta de ajuste estatisticamente significativo, com R² ajustado de aproximadamente 95 %. Conclui-se que o protótipo é confiável e que o método fatorial, aliado à Metodologia de Superfície de Resposta (RSM), fornece uma ferramenta eficaz para otimização de parâmetros em eletrólise alcalina fotovoltaica.