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Hidrogênio: saiba por que vale a pena investir nessa tecnologia

por Gabriel Marinho | 05/03/2021

O hidrogênio molecular (H2) é um portador de energia que pode ser eficientemente convertido em energia elétrica em células de combustível

Nos últimos anos, o hidrogênio tem sido postulado como uma potencial alternativa aos combustíveis fósseis. No entanto, ao contrário dos combustíveis fósseis, são raras as reservas naturais de hidrogênio na crosta terrestre. Portanto, o desenvolvimento de novas tecnologias para que sua produção seja sustentável, eficiente e economicamente competitiva é essencial para fomentar a descarbonização de diversos setores.

Antes de ler o resto do texto, confira o nosso episódio de podcast sobre o assunto!

O gás hidrogênio pode ser considerado um commodity, usado há décadas em diversos setores da indústria. Atualmente, o mercado deste gás industrial gira cerca de 117 bilhões de dólares por ano, e ele é utilizado em desde insumo químico, até para a geração de energia elétrica.

Para aplicações industriais, a procura de hidrogênio mais do que triplicou desde 1975, e continua a aumentar (veja no gráfico abaixo). Cerca de 70 Mt de hidrogênio dedicado são atualmente produzidos, tendo 76% da produção com orgigem no gás natural e quase toda a produção restante (23%) a partir do carvão. A produção anual de hidrogênio consome cerca de 205 mil milhões de metros cúbicos de gás natural (6% da utilização global de gás natural) e 107 Mt de carvão (2% da utilização global do carvão), na qual a principal utilização do carvão para a produção de hidrogênio se concentra na China.

Com um consumo gigantesco de combustíveis fósseis, o mercado do hidrogênio é responsável por cerca de 1% das emissões globais de GEE, mais do que as emissões combinadas do Reino Unido e da Indonésia!

Demanda anual global de hidrogênio desde 1975. "Refino", "Amônia" e "outros puros" representam aplicações industriais que requerem hidrogênio de elevada pureza. Metanol, DRI (Direct Reduced Iron Steel) e "outras misturas" representam aplicações industriais que utilizam hidrogênio como parte de uma mistura de gases. Fonte: IEA 2019
Demanda anual global de hidrogênio desde 1975. “Refino”, “Amônia” e “outros puros” representam aplicações industriais que requerem hidrogênio de elevada pureza. Metanol, DRI (Direct Reduced Iron Steel) e “outras misturas” representam aplicações industriais que utilizam hidrogênio como parte de uma mistura de gases. Fonte: IEA 2019

É importante ter em mente que as atuais utilizações do hidrogênio são hoje não-energéticas . O maior consumo de hidrogênio é na indústria petrolífera para o refino e upgrade do petróleo bruto e na indústria química para a produção de amoníaco (principalmente para fertilizantes). Os processos de produção de metanol outros produtos químicos orgânicos também são grandes consumidores de hidrogênio, normalmente vindo de fontes fósseis. Outras utilizações importantes encontram-se na indústria metalúrgica para a produção de vários metais incluindo o aço, na indústria alimentar para a hidrogenação de óleos vegetais comestíveis a gorduras (margarinas) e na indústria dos plásticos para a fabricação de vários polímeros. As aplicações menores ocorrem nas indústrias eletrônica, vidreira, de energia eléctrica e espacial.

A novidade é um processo muito antigo, que está cada vez mais em alta. O hidrogênio pode ser produzido com eletricidade, através de um processo chamado eletrólise, que consiste na divisão das moléculas da água, gerando hidrogênio e oxigênio. É um processo altamente intensivo em energia, mas que com a queda dos preços de energias renováveis se torna cada vez mais viável.

Até recentemente, menos de 0,1% da produção dedicada de H2 era através deste processo, uma quantidade insignificante em comparação com as alternativas baseadas em combustíveis fósseis. Além disso, o hidrogênio produzido por esta via é principalmente utilizado em mercados que necessitam do gás em alta pureza (por exemplo, eletrônica e polissilício). Além do hidrogênio dedicado produzido através da eletrólise da água, cerca de 2% da produção global total é gerada como subproduto da eletrólise da salmoura, no processo de produção cloro (Cl2) e soda cáustica (NaOH).

Por ser um gás molecular, o hidrogênio não tem distinção de cor ou forma. Porém, é comum no mercado atribuir cores para se referir a diferentes fontes de produção. “Preto”, “cinzento” ou “castanho” referem-se à produção a partir do carvão, gás natural e lignite, respectivamente. O hidrogênio “azul” é normalmente utilizado para a produção a partir de combustíveis fósseis combinado com tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCUS) que conduzem a uma redução das emissões de CO2. “Verde” é um termo aplicado à produção de hidrogênio a partir de eletricidade renovável (a partir de turbinas solares fotovoltaicas ou eólicas, por exemplo). A competitividade futura do hidrogênio azul ou verde depende principalmente dos preços do gás, da eletricidade, e de melhorias tecnológicas.

Classificação de hidrogênio em escada de cores. Elaborado pela EPE o a partir de IEA (2019a), H2-View (2020), BAKER MCKENZIE (2020) e ZGONNIK (2020).

À medida que tecnologias energéticas como a solar fotovoltaica e a eólica se tornam mais baratas e aumentam a capacidade instalada, os preços da eletricidade estão a cair rapidamente, tornando a eletrólise uma alternativa viável. De fato, o hidrogênio verde está a atingir recordes de competitividade todos os anos devido a incentivos governamentais e à queda dos preços da eletricidade. É esperado que a eletrólise seja competitiva com os processos de reforma de gás natural já em 2030 em algumas localidades, e globalmente antes de 2050.

Armazenamento e estocagem do hidrogênio

Hoje em dia, o hidrogênio é armazenado e fornecido principalmente na forma de gás comprimido ou líquido. Dependendo do seu uso final e requisitos, vários elementos da cadeia de abastecimento serão combinados para armazenamento e distribuição de hidrogênio (veja a figura abaixo).

Dependendo da aplicação de uso final, a duração do armazenamento será diferente, levando a diferentes soluções tecnológicas. Por exemplo, uma estação de reabastecimento exigirá horas de armazenamento de hidrogênio, enquanto uma fonte de alimentação estacionária para estabilizar a rede elétrica pode exigir dias ou semanas.

A opção de armazenamento de hidrogênio mais adequada depende principalmente do volume a ser armazenado, da escala de tempo de armazenamento, da taxa de descarga necessária (fluxo de hidrogênio para alimentar um determinado processo) e do preço (quando várias opções estão geograficamente disponíveis). Em geral, o armazenamento geológico é a melhor opção para aplicações estacionárias que requerem armazenamento em larga escala e longo prazo, enquanto os tanques são mais adequados para armazenamento de curto e pequena escala para aplicações estacionárias e móveis.

  • Armazenamento geológico: reservatórios de gás natural ou petróleo esgotados, cavernas e aquíferos são opções viáveis ​​para armazenamento de hidrogênio em larga escala e de longo prazo. Por exemplo, cavernas de sal têm sido usadas para armazenamento de hidrogênio pelo setor químico no Reino Unido desde 1970 e nos Estados Unidos desde 1980. Apresentam alta eficiência (a quantidade de hidrogênio que pode ser extraída dividida pela quantidade inicialmente injetada), baixo custo operacional e baixo custo fundiário. Essas características significam que eles provavelmente são a opção de menor custo para armazenamento de hidrogênio, embora ele seja um elemento leve.
  • Tanques de armazenamento: tanques que armazenam hidrogênio comprimido ou liquefeito têm altas taxas de descarga e eficiências de cerca de 99%, tornando-os adequados para aplicações em menor escala. O hidrogênio comprimido (a 700 bar de pressão) contém aproximadamente 15% da densidade de energia da gasolina, portanto, armazenar a quantidade equivalente de energia em um posto de abastecimento de veículos exigiria quase sete vezes o espaço. Por outro lado, amônia (NH3) ou carreadores de hidrogênio orgânico líquido (sigla LOHCs em inglês), como bioálcoois, que poderiam ser identificados como carreadores de hidrogênio em potencial, têm densidades de energia maiores do que o hidrogênio comprimido e, portanto, reduziriam a necessidade de tanques grandes, mas essas vantagens devem ser avaliados em relação às perdas de energia e infraestrutura (reatores catalíticos, equipamento de conversão) para liberação de hidrogênio quando o uso final requer hidrogênio de alta pureza.
  • Distribuição de hidrogênio: a baixa densidade de energia do gás hidrogênio implica que pode ser muito caro transportá-lo por longas distâncias. No entanto, existem várias opções disponíveis para superar essa desvantagem, incluindo compressão de gás, liquefação ou incorporação de moléculas de hidrogênio em materiais de armazenamento (hidretos, um tipo de esponja metálica) ou moléculas de carreador (amônia, carreadores de hidrogênio orgânico líquido) que podem ser mais prontamente transportados como sólidos ou líquidos. Cada opção tem vantagens e desvantagens, e a melhor escolha (mais barata) irá variar de acordo com a distância, geografia e os requisitos de uso final (pureza, vazão de alimentação). Em geral, para distâncias abaixo de 1500 km, o uso de dutos para transportar hidrogênio como gás é geralmente a opção de entrega mais barata; entretanto, acima de 1.500 km, o transporte de hidrogênio como amônia ou um LOHC por caminhões é provavelmente mais econômico.

No entanto, cerca de 85% do hidrogênio hoje em dia é produzido e consumido no local, ou cerca do ponto de consumo, e apenas cerca de 15% do hidrogênio é transportado por caminhões ou dutos. Considerando os preços atuais do hidrogênio, além de um determinado limite de consumo para uma aplicação estacionária, a produção local de hidrogênio é comumente a opção mais econômica e viável, ao invés de armazenamento

Novas tecnologias emergentes podem alterar o equilíbrio entre essas opções no futuro próximo ou médio. A competitividade das diferentes opções disponíveis no mercado dependerá da distância percorrida pelo hidrogênio transportado, da escala e dos requisitos de uso final. Novas tecnologias emergentes altamente disruptivas permitiriam a exportação de hidrogênio de regiões de produção de baixo custo para regiões de alto custo.

Tá lega, mas e o que falta para o hidrogênio mudar o mundo??

O primeiro desafio: apoiar as energias renováveis

Soluções geralmente vêm com novos desafios, e isso não é diferente para os mercados de energia renovável em crescimento. Problemas como corte por excesso de produção e as variações em produção e demanda trazem enormes perdas para sistemas de energia no mundo inteiro. A eletricidade verde nem sempre está em fase com a demanda de eletricidade, o que resulta em perdas.

Quando o sol está brilhando e ninguém está assistindo TV, essa energia solar fotovoltaica é desperdiçada. Claro, ao somar toda a geração renovável, os resultados podem ser catastróficos. Por exemplo, só na Califórnia, a quantidade de energia renovável em excesso – ou seja, desperdiçada – em janeiro de 2020 foi de 138 GWh, um valor impressionante 10,8x maior do que no mesmo período de 2019. Isso acontece porque a eletricidade deve ser usada imediatamente ou armazenada para um momento posterior. No caso das energias renováveis, a eletricidade é produzida diretamente, e deve ser descartada quando há recurso renovável, mas não há demanda.

Para períodos curtos ou pequenos requisitos de energia, as tecnologias de bateria fazem um ótimo trabalho para guardar esta energia. Porém, em lugares onde inverno e verão têm requisitos de energia muito diferentes, há uma necessidade de amazenamento de longo prazo.

Aí vem o primeiro potencial do hidrogênio verde. Por meio da eletrólise, o excesso de energia renovável pode ser armazenado por tanto tempo quanto temporadas. Isso reduzirá a quantidade de energia desperdiçada e maximizará o uso de energia renovável ao longo dos meses. Além disso, o hidrogênio também pode ser empregado para armazenar energia em períodos sazonais de baixos preços da eletricidade no mercado, de forma a gerenciar de forma mais eficiente as fontes de energia disponíveis.

O hidrogênio também pode se tornar uma exportação

Imagine o cenário: um país com muito sol e recursos renováveis, mas com baixa necessidade de energia. Outro país busca diversificar sua energia, ou está localizado perto de um mercado crescente e intensivo em energia. É o caso de países como Marrocos, Austrália, e Chile, pioneiros em investir em hidrogênio verde para exportação. Os desertos ensolarados de Marrocos são um terreno fértil para a tecnologia solar fotovoltaica, assim como as costas ventosas da Tasmânia, na Austrália, e os desertos no centro do país. Ambos os países também estão localizados próximos a economias com alta demanda energética, como Alemanha e Japão, que já exibiram interesse em desenvolver uma relação comercial para o hidrogênio verde.

Entre muitas outras vantagens, o H2 traz uma nova oportunidade para esses países investirem em energia verde e venderem seu excedente de produção para aumentar seus benefícios financeiros. É uma fonte adicional de renda que pode fazer com que eles dependam menos dos combustíveis fósseis e se preparem para a economia do hidrogênio. O transporte não deve ser um grande desafio, pois já existe tecnologia para transportar o hidrogênio na forma líquida por meio de transportadores químicos ou mesmo como amônia, que pode ser usada como combustível ou fertilizante, como explicado mais acima.

De qualquer forma, será necessária uma cadeia de abastecimento para transportar o hidrogênio do ponto de produção até o ponto de uso final (posto de abastecimento ou indústria). Essa cadeia envolverá diversas empresas e infraestrutura, como dutos, caminhões, depósitos, compressores e distribuidores envolvidos no processo de entrega de hidrogênio.

O hidrogênio pode aumentar a resiliência do sistema

Além de fornecer energia, quando integrado às energias renováveis, o H2 também pode estabilizar a rede, melhorando sua estabilidade e resiliência. Assim como a geração de energia com combustível fóssil faz hoje, o hidrogênio pode contrabalançar o caráter variável da geração de energia eólica e solar. Um efeito em cadeia que isso pode ter é aumentar a confiança de desligar as usinas poluentes que são backup para atender à demanda.

A descarbonização dos meios de transporte é fundamental

O transporte de todos os modais é hoje responsável por 24% das emissões diretas de CO2 quando se analisa a combustão do combustível. É um problema crítico a ser enfrentado para cumprir as metas climáticas, e o esforço de governos e organizações já é visível.

Os veículos elétricos a bateria (BEV) vieram para ficar, mas não serão suficientes. Embora as baterias possam fazer um ótimo trabalho em veículos leves e de trajetos curtos, elas dificilmente serão capazes de reduzir as emissões do transporte pesado. Em aplicações onde mais peso do veículo significa menos carga transportável, as baterias se tornam inviáveis.

Além disso, as baterias têm um alto tempo de recarga, o que as torna inadequadas para aplicações onde o tempo de inatividade do veículo é crítico, como balsas e ônibus urbanos. Para essas e outras aplicações, as chamadas células de combustível complementam as baterias como extensores de alcance, permitindo longos alcances, alta potência de saída e um tempo de reabastecimento semelhante ao dos motores de combustão interna. A maturidade técnica das células de combustível H2 é esperada nos próximos 5-15 anos.

Os veículos elétricos a célula de combustível (sigla FCEV em inglês) serão adequados para o transporte rodoviário, ferroviário e marítimo. O resultado é um transporte 100% limpo, com a única emissão de água. Em relação ao mercado de aviação, uma melhoria das tecnologias atuais de armazenamento de hidrogênio ainda é necessária para trazer células de combustível de hidrogênio para aeronaves do futuro, porque os tanques de armazenamento de hidrogênio atuais são mais volumosos e pesados ​​do que os tanques de armazenamento de combustível de jato convencionais existentes para aeronaves.

A única saída para descarbonizar indústrias pesadas

Indústrias como cimento e aço são extremamente intensivas em energia, exigindo altos níveis de calor de nível industrial para a fabricação destes produtos essenciais. Eletrificar essas indústrias é um desafio complexo que pode não se concretizar. O hidrogênio pode ser usado em células de combustível de alta temperatura para a produção de eletricidade e calor ou pode ser queimado em turbinas para gerar resultados semelhantes aos de geradores a gás e diesel.

A tecnologia ainda precisa de mais iterações para se tornar competitiva, mas projetos-piloto já estão em operação na Alemanha e na Suécia, por exemplo. O uso industrial de H2 verde ajudará a descarbonizar essas indústrias, mas, mais importante, a pressão climática sobre elas aumentará a demanda por hidrogênio verde, possibilitando ainda mais a economia do hidrogênio.

Descarbonização de aquecimento e eletricidade residencial

O hidrogênio já é uma realidade para geração de calor e eletricidade em residências e edifícios comerciais. O Japão é um grande exemplo de uso residencial integrado à rede de gás, com seu mercado crescente para geradores micro-CHP. Outras empresas oferecem aos proprietários a capacidade de desconectar totalmente suas casas da rede elétrica usando hidrogênio como armazenamento de energia ao longo das estações.

Servindo como matéria-prima limpa

Por último, mas não menos importante, a eletrólise de fontes de energia renováveis ​​tem o potencial de descarbonizar as emissões atuais relacionadas à produção de hidrogênio. O consumo de hidrogênio da indústria está crescendo, assim como suas emissões. Com a queda dos preços da eletricidade e regulamentações climáticas mais rígidas, o hidrogênio verde pode crescer em competitividade, sendo uma troca fácil para matéria-prima industrial.

Leia também: Microsoft faz investimento massivo em descarbonização para lidar com as mudanças climáticas

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Engenharia 360

Gabriel Marinho Silva

Gabriel é engenheiro químico formado pela UFRJ e com mestrado internacional na Espanha e na Suécia. Durante o mestrado ele se desenvolveu e está trabalhando na área de hidrogênio e células a combustível.